陈邦林团队Nature Mater.: 刚性MOF实现乙烯乙烷高效分离!_河南普赛化工产品有限公司

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陈邦林团队Nature Mater.: 刚性MOF实现乙烯乙烷高效分离!

陈邦林团队Nature Mater.: 刚性MOF实现乙烯乙烷高效分离!

第一作者:林锐标,李立博,周浩龙

通讯作者:周伟,陈邦林

通讯单位:美国德州大学圣安东尼奥分校(University of Texas at San Antonio)、美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology)

 

研究亮点:

利用含有高孔结构刚性,尺寸/形状匹配孔结构的金属有机框架材料,实现了对形状和尺寸极其相近的乙烯乙烷的分子筛分。

 

乙烯是石油化工产业的核心,全球年产量过亿吨,其产品占石化产品的70%以上,在国民经济中占有不可忽视的重要地位。在乙烯生产过程中,往往需要通过低温工艺分离乙烷来实现提纯,这一工艺耗能巨大。近年来,以MOF为代表的多孔材料在乙烯/乙烷的吸附选择性分离领域取得了诸多重要进展。

 

通过分子筛分的方式可以实现乙烯乙烷的完全分离。这种方式也可以进一步用于更高效的膜分离。由于乙烯乙烷的尺寸差别极小(亚埃级别,10-2 nm),要求多孔材料需具有很高的尺寸匹配度。然而,由于MOF材料中的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。


图1. 典型MOF材料中的有机组分柔性与本文材料中的yabox9电竞配位方式对比

 

有鉴于此,美国德州大学圣安东尼奥分校的陈邦林、美国国家标准与技术研究所的周伟等团队合作发现,得益于有机yabox9电竞的刚性配位几何,含有高孔道刚性的一例钙的MOF材料能实现对乙烯/乙烷的分子筛分分离。


图2. 本文MOF材料的结构及吸附性能

 

研究人员通过单晶衍射和理论计算发现这种微孔MOF的孔道结构在多种条件下都能很好地维持,这是实现对乙烯乙烷筛分分离的关键。在室温常压条件下,该MOF材料能从多种含乙烯的复杂混合物(包括模拟裂解气)中成功分离出乙烯。该材料还具有出色的水稳定性。另外该材料可以通过简便,绿色,易于大规模生产的方式得到,在实验室已经能实现公斤级合成。


图3. 乙烯在MOF中的分布及该MOF的刚性

 

图4. 公斤级产品以及穿透曲线实验

 

图5. 复杂组份的穿透曲线实验

 

总之,这项研究为寻找具有高效乙烯/乙烷分离性能的材料提供了全新的思路,进一步推动了MOF在高效、低能耗的工业分离中的实际应用。


《Nature Materials》还同期在线对该工作进行了特约评论。Nature Materials 特约评论人 Jorge Gascon教授评论称:由于该MOF材料(UTSA-280)的刚性结构和便于大规模制备的优点,使其成为目前乙烯和乙烷分离最有效的材料之一。(A rigid and easily scalable metal–organic framework is shown to be among the most efficient materials for separating ethylene from ethane.)(Jorge Gascon et al. An efficient nanosieve, Nature Materials, 2018, https://www.nature.com/articles/s41563-018-0223-1)


作者简介:

陈邦林(Banglin Chen)教授现任德克萨斯大学圣安东尼奥分校化学系杰出讲座教授和该校杰出科学家学院成员。已在Science, Nat. Mater., Nat. Energy, Nat. Commun., Chem. Rev., Chem.Soc. Rev., Acc. Chem. Res., Chem, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.,Adv. Mater.等顶级学术期刊发表有重要影响论文280余篇及16项专利(转让专利1项),被引用38000余次。2016年获德克萨斯大学圣安东尼奥专利发明奖,2017年获得美国科学促进会会士 (AAAS Fellow)。2011年名列汤姆森路透集团发布的2000-2010年全球顶尖一百化学家名人堂榜单第十五名。2014至2018年连续五年列入高被引科学家(化学)。


 

周伟(Wei Zhou)博士,美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)的材料化学家。研究兴趣包括新型多孔材料,材料设计的理论计算,中子衍射和光谱学领域。近期的工作重点是通过结合各种实验技术和第一性原理计算,开发各种用于气体吸附,储存和分离(CH4,H2,CO2,C2H2等)的先进材料。在Science、Nat. Mater., Nat. Energy, J. Am.Chem. Soc.、Angew.Chem. Int. Ed.、Adv. Mater. 等国际期刊发表160多篇论文,论文已被引用16000多次。2018年列入Web of Science高被引科学家名单。

 

参考文献:

1. Rui-BiaoLin, Libo Li, Hao-Long Zhou, Wei Zhou, Banglin Chen, et al. Molecular sievingof ethylene from ethane using a rigid metal–organic framework. NatureMaterials, 2018.

DOI:10.1038/s41563-018-0206-2

https://www.nature.com/articles/s41563-018-0206-2

2. JorgeGascon et al. An efficient nanosieve, Nature Materials, 2018, 

https://www.nature.com/articles/s41563-018-0223-1

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