作者:张章静等 来源:《自然-化学》 发布时间:2021/7/9 9:43:12
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福建师大团队利用简单有机分子化合物实现高纯度乙烯分离

 

近日,福建师范大学化学与材料学院张章静课题组利用简单有机分子自组装氢键有机框架材料,在乙烯乙烷的分离上取得重要进展。相关研究成果以“Ethylene/ethane separation in a stable hydrogen-bonded organic framework through a gating mechanism”为题,于北京时间2021年7月8日晚23时发表在Nature Chemistry上。

乙烯是石化产业核心,预计到2023年全球的乙烯产能将超过2亿吨/年。在乙烯生产过程中,往往利用低温精馏技术分离乙烷来实现提纯,将消耗大量能量,超过全球年能源消耗的0.3%。

利用晶态多孔材料,如金属有机框架(MOFs)、共价有机框架(COFs)和氢键有机框架(HOFs)等,实现碳氢化合物的高效吸附分离已取得诸多进展。然而,孔道柔性往往成为阻碍低能耗、高纯度乙烯分离的主要原因。一方面,乙烯乙烷尺寸差别极小(亚埃级别,10-2 nm),要求多孔材料需具有很高的尺寸匹配度。但有机组分具有一定的结构柔性(如旋转,翻转),其孔道尺寸在吸附过程中容易发生改变,难以实现分子筛分。另一方面,随着压力增加,柔性孔道逐渐变大,导致乙烯乙烷的共吸附现象严重。

在最新的研究中,研究团队利用骨架柔性,提出温度和压力协同调控的“门控机制”策略,实现对乙烯乙烷的高效分离。

图1:调控“门控机制”用于气体的高效选择性分离

研究人员在设计合成新型有机小分子的基础上,通过自组装制备了一例具有独特“刚柔并济”孔道特性的氢键有机框架材料,其三重穿插氢键网络形成了可选择性筛分乙烯乙烷的孔道结构。气体吸附和粉末衍射数据表明,弱的非经典氢键(C-H…N)有利于骨架保持一定的柔性;同时连续的π…π作用可以增强骨架的刚性。这种刚柔并济的骨架结构特征是实现“门控机制”的关键。

图2:本文HOF的结构

实验结果表明,随着温度升高,吸附气体所需的阈值压力增加,在工况温度(333 K)时最大程度上减少共吸附现象,实现最优的乙烯分离效果。单晶结构表明,乙烯分子通过弱的C-H…π相互作用吸附在孔道中。同时,这种微孔HOF材料具有优异的热稳定性,在水、强酸、强碱,一些极性有机溶剂中都能保持骨架稳定,为实现气体分离纯化的实际应用提供了必要条件。

图3:不同温度下HOF-FJU-1对C2H4和C2H6的气体吸附曲线、与C2H4/C2H6混合气在不同温度下的穿透实验和穿透循环实验

图4:包含乙烯分子的HOF-FJU-1的单晶结构

最后,作者认为,该项工作利用简单有机分子化合物,首次实现在工况温度下乙烯乙烷的高效分离,将极大推动HOF在高效、低能耗的工业分离中的实际应用。

福建师范大学为文章第一单位,福建师范大学张章静研究员、项生昌研究员和美国德州大学圣安东尼奥分校的陈邦林教授为论文共同通讯作者,福建师范大学博士生杨义锶、太原理工大学李立博教授和中山大学林锐标教授为共同第一作者。(来源:科学网)

相关论文信息:DOI:10.1038/s41557-021-00740-z

 
 
 
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