近日，華南師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授嚴(yán)勇/蘭亞乾團(tuán)隊(duì)同合作者，在國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下，系統(tǒng)提出并驗(yàn)證了一種基于三維互連納米腔體與限域孔頸協(xié)同調(diào)控吸附動(dòng)力學(xué)的新策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)上關(guān)鍵但難以高效分離的C3H6/C3H8氣體體系的精準(zhǔn)分離。相關(guān)成果發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（JACS）。
多孔材料中孔道結(jié)構(gòu)調(diào)控的分離機(jī)制示意圖。(a) 大孔：容量高，選擇性低；(b) 分子篩：選擇性高，容量低，動(dòng)力學(xué)慢；(c) 小孔連接腔體：提升容量，保持高選擇性；(d) 擴(kuò)大腔體、限制孔口：兼顧高容量、高選擇性和快速擴(kuò)散。研究團(tuán)隊(duì)供圖
在石化產(chǎn)業(yè)中，丙烯/丙烷分離是一個(gè)典型的“能耗高、難度大”的過(guò)程。由于兩者沸點(diǎn)極其接近（僅相差6K），傳統(tǒng)低溫精餾法面臨巨大的能耗壓力。開(kāi)發(fā)新型吸附分離材料，是解決該問(wèn)題的重要方向。金屬有機(jī)框架作為一類(lèi)結(jié)構(gòu)可調(diào)的多孔晶體材料，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于氣體分離領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)金屬有機(jī)框架常常在吸附容量、選擇性和擴(kuò)散效率三者之間存在性能折衷的問(wèn)題。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了一個(gè)以弱Lewis堿配體Pz4Bim與Ni2+構(gòu)筑的金屬有機(jī)骨架材料NiPz4Bim，構(gòu)建出具有三維互連大型納米腔體與限域小孔徑協(xié)同結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了分子篩分與高速擴(kuò)散的有機(jī)結(jié)合，有效打破了熱力學(xué)選擇性與動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散效率之間的權(quán)衡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該材料在298 K、1 bar下對(duì)丙烯的吸附量高達(dá)3.24 mmol/g，優(yōu)于多數(shù)基于動(dòng)力學(xué)分離的MOF材料，IAST選擇性為2.42，動(dòng)力學(xué)選擇性高達(dá)51.96。
為深入理解主客體相互作用機(jī)制，研究結(jié)合中子粉末衍射、Grand Canonical Monte Carlo模擬與密度泛函理論計(jì)算，精確揭示了丙烯在孔頸區(qū)域的π-π作用與范德華力為主導(dǎo)的吸附機(jī)制，而丙烷則主要依賴(lài)較弱的分子間作用滯留于腔體內(nèi)部。這一結(jié)構(gòu)-功能調(diào)控策略在實(shí)現(xiàn)高效丙烯分離的同時(shí)，為設(shè)計(jì)新型金屬有機(jī)骨架材料基氣體分離材料提供了可推廣的理論依據(jù)與實(shí)驗(yàn)路徑。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.5c03677
本文鏈接：研究發(fā)現(xiàn)三維互連腔體與限域孔徑協(xié)同實(shí)現(xiàn)丙烯高效分離http://m.sq15.cn/show-11-21555-0.html
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