Adv. Mater.：從乙烯中分離微量乙炔的突破進展

編輯部實習生 6年前 (2017-11-22) 4004瀏覽

【引言】

傳統的氣體分離技術，比如低溫蒸餾技術，屬于能量密集型，其能耗占據全球能耗的10-15%。而利用多孔材料，通過吸附分離或膜分離技術，有望替代傳統技術，發展為高效節能的分離提純技術。

孔的調控和功能化是引入分子篩和優先結合效應的有力方式，并因此對多孔材料的氣體分離提純效果發揮重要作用。除了傳統的沸石材料，金屬有機框架（MOFs）材料得到了廣泛研究，豐富了用于氣體分離提純的多孔材料體系。近來，MOFs材料用于C2H2/C2H4以及C3H6/C3H8分離的研究尤為熱點。已報道的SIFSIX-2-Cu-i和NbOFFIVE-1-Ni材料仍存在trade-off問題（吸附容量和選擇性難以兼具）。

理想分子篩結構，能夠完全排除大的氣體分子，同時保持對小的氣體分子高的吸附容量，可有效解決trade-off問題。但是至今未發現用于分離提純輕烴的理想分子篩結構。

【成果介紹】

近日，浙江大學陳邦林教授和邢華斌教授、利默里克大學Michael J. Zaworotko教授和國家標準研究中心周偉（共同通訊作者）等人在Advanced Materials上發表了題為“An Ideal Molecular Sieve for Acetylene Removal from Ethylene with Record Selectivity and Productivity”的文章。

他們研究了SIFSIX-2-Cu-i的新變體材料SIFSIX-14-Cu-i（又被稱作UTSA-200），通過極細微的孔徑調節（3.4 ?），有效地排除了C2H4分子，而對C2H2分子具有較高的吸附容量58cm3cm-3（0.01bar、298K）。因此，該材料為吸附容量和選擇性建立新的基準。利用它，1/99 C2H2/C2H4中C2H2分子的提純容量最大值達1.18mmol g-1，并且可獲得純度為99.9999%的C2H4，比聚合級乙烯的純度（99.996%）還要高。

【圖文導讀】

圖1.UTSA-200a結構和吸附模型的研究

（a）UTSA-200a的孔道結構；

（b）DFT-D計算得到的C2H2在UTSA-200a中的吸附模型表明，C2H2分子能夠通過上述孔徑的孔；

（c）模擬C2H4在UTSA-200a中的吸附，結果表明C2H4太大而不同通過孔；

（d）C2H2吸附在UTSA-200a上形成的理想分子篩結構示意圖，適用于結合C2H2分子的較大孔腔通過窄孔徑開口連接起來。不同的網格用灰色和紫色加以區別。不同元素對應顏色：Cu（藍綠色）、Si（深綠色）、F（紅色）、N（藍色）、C（灰色）以及H（綠色）

圖2.等溫吸附曲線和UTSA-200a的中子衍射晶體結構

（a）UTSA-200a在196K時對CO2以及在77K時對N2的等溫吸附曲線；

不同壓力范圍內，298K時C2H2（圓圈）和C2H4（三角）在UTSA-200a中的吸附曲線：（b）0-1.0 bar，（c）0-0.05；

（d）壓力為0.01bar時，C2H2在UTSA-200a以及其他材料中的吸附量；

200K時，UTSA-200a的中子衍射晶體結構圖（e）沿著c軸觀察，（f）沿著b軸觀察。

圖3.C2H2/ C2H4（1/99）混合氣中UTSA-200a的IAST計算和模擬及實驗結果

UTSA-200a和其他材料的（a）IAST選擇性，（b）C2H2的吸附容量；

（c）基于各種MOF材料，C2H2/ C2H4分離的模擬穿透曲線；

（d）模擬穿透中，C2H2的捕獲量與穿透時間的關系曲線；

（e）溫度為298K，壓力為1.01bar時，基于不同材料，C2H2/ C2H4分離的實驗穿透曲線；

（f）多種混合氣體的穿透實驗中UTSA-200a的循環性。

【小結】

理想分子篩結構很難獲得，而它是一種高能效的氣體分離路線。本研究第一次發現，具備理想分子篩結構的MOF材料可通過調節孔徑和引入特殊的結合位點實現。研究的UTSA-200材料能夠從1/99的C2H2/C2H4混合氣中分離出微量的C2H2，奠定了C2H2高選擇性及捕獲能力的新基準，并打破了C2H4的產能記錄。UTSA-200有望成為從C2H4中分離微量C2H2的工業吸附劑。此外，相關原理的研究具有普適性，將為其他氣體分離提純用理想分子篩結構的設計和制備提供指導意義。

文獻鏈接：Li B, Cui X, O'Nolan D, et al. An Ideal Molecular Sieve for Acetylene Removal from Ethylene with Record Selectivity and Productivity[J]. Advanced Materials, 2017.

本文由材料人編輯部maggie編輯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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