美國羅格斯大學Energy Environ. Sci.：一種微孔金屬有機框架分子篩用于直鏈,單支鏈和雙支鏈烷烴異構體的吸附性分離

【引言】

將混合的化學組份提純為純組份是一個能源消耗量很大的過程，占全球能源消耗量的10-15%。因此，發展更加節能的分離方式在節約能源和減少二氧化碳排放方面具有重要的意義。其中，分離不同支化度的烷烴同分異構體在石油化工領域依然面臨一定的技術挑戰。除了傳統能耗較高的蒸餾分離，目前用于烷烴同分異構體分離的吸附劑材料是5A分子篩。雖然5A分子篩能較有效地分離直鏈和支鏈烷烴，但其不能用于分離單支鏈和雙支鏈的烷烴異構體，而這一分離過程是進一步提高汽油辛烷值的關鍵。因此需要探索更好的技術來解決這個問題。

【成果簡介】

近日，美國羅格斯大學的李靜教授課題組，報道了一種基于鈣的微孔金屬有機框架化合物，并首次實現了通過單種吸附劑完全分離直鏈、單支鏈和雙支鏈的烷烴同分異構體。這種可以完全篩分單支鏈和雙支鏈烷烴同分異構體的分離技術，不僅可以獲得具有更高辛烷值的汽油，并且填補了目前分離技術的空白。該成果以題為"One-of-A-Kind:?A Microporous Metal-Organic Framework?Capable of Adsorptive Separation of Linear, Mono- and Di-branched Alkane Isomers via Temperature- and Adsorbate-Dependent Molecular Sieving"發表在Energy Environ. Sci.上。

【圖文導讀】

圖1 Ca(H₂tcpb)的晶體結構和一維通道形狀

(a).Ca(H₂tcpb)的晶體結構

(b).Ca(H₂tcpb)的一維通道形狀

圖2 Ca(H₂tcpb)在不同溫度下對不同物質的等溫吸附曲線

(a), (b), 和(c) 分別為正己烷，3-甲基戊烷，和2,2-二甲基丁烷在不同溫度下的吸附等溫線。黑色，紅色，藍色，紫色，綠色分別代表30,60,90,120,150 °C的吸附曲線。(d)和(e)為三種異構體在60和120 °C時的吸附曲線對比。?(f)為設計分離示意圖。

圖3 分離裝置和分離結果

(a)/(d)為正己烷、3-甲基戊烷、2,2-二甲基丁烷的三組分透過裝置和結果。

(b)/(e)為正己烷、3-甲基戊烷的雙組分透過裝置和結果。?(c)/(f)為3-甲基戊烷、2,2-二甲基丁烷的雙組分透過裝置和結果。

圖4 不同吸附形式的Ca(H₂tcpb)的XRD結果

通過對不同吸附形式的XRD分析，作者將該材料獨特的吸附分離性能歸結為其結構特點以及對不同烷烴異構體分子的不同作用力。?該材料的晶體結構有一定的柔性，其對不同烷烴異構體分子的吸附具有特定的效應，并且對同一分子在不同溫度下的吸附效應也不同，因此可實現溫度調控下的有效分離。

【小結】

在這個工作中，作者報道了一種可用于完全分離直鏈、單支鏈和雙支鏈烷烴同分異構體的金屬有機框架化合物。在提供更高質量汽油的同時，解決了傳統分離材料不能分離單支鏈和雙支鏈烷烴同分異構體的問題，填補了此類分離技術的空白。這個工作為后續分離材料的設計提供了新的思路。

文獻鏈接：One-of-A-Kind: A Microporous Metal-Organic Framework Capable of Adsorptive Separation of Linear, Mono- and Di-branched Alkane Isomers via Temperature- and Adsorbate-Dependent Molecular Sieving.(Energy Environ. Sci., 2018,?DOI: 10.1039/C8EE00459E)

【團隊介紹】

該論文作者中文名：王浩，董興隆，（Ever Velasco，David H. Olson），韓宇，李靜。

團隊信息: 李靜教授于1989年在美國康奈爾大學獲得博士學位（師從諾貝爾化學獎得主羅德·霍夫曼教授），現任美國羅格斯大學化學與化學生物學系資深終身教授，美國化學會《晶體生長與設計》副主編，美國科學促進協會會員，皇家化學會會員。曾獲美國總統獎、美國能源部頒發的首屆清潔能源創新貢獻獎、德國洪堡基金會的洪堡研究獎等，并于2015、2016連續兩年入選湯森路透集團頒布的全球高被引科學家名單。主要研究方向為新型雜化半導體材料和微孔材料的設計開發以及它們在節能LED、太陽能電池，氣體儲存、氣體分離、有害物檢測及去除和基于熒光化學檢測方面的應用。迄今發表學術論文330余篇，并擁有13項專利。

李靜教授團隊近年來在設計、合成新型多孔材料并用于烴類分離，稀有氣體分離、有害物捕獲等領域取得持續進展，是最早將金屬有機框架材料用于碳氫化合物吸附分離的課題組之一。在這一領域代表性工作包括：

Angew. Chem.?Int. Ed.?2003, 42,?542-546.

J. Am. Chem. Soc., 2006,128, 4180-4181

Angew. Chem. Int. Ed.,?2006, 45, 616 –619

J. Am. Chem. Soc.,?2009,?131, 10368–10369

Chem. Rev.,?2012,?112, 836–868.

Chem. Sci., 2014, 5, 620-624

Chem. Sci.,?2016, 7, 759-765.

ACS Appl. Mater. Interfaces,?2016,?8, 30294–30303.

Chem. Commun., 2017, 53, 9332-9335.

Nat. Commun., 2017, 8, 485.

ACS Appl. Mater. Interfaces,?2018,?10, 6031–6038.

Chem. Soc. Rev., 2018,?DOI: 10.1039/C7CS00885F.

Nat. Commun., 2018, 9.

本文由材料人學術組gaxy供稿，材料牛整理編輯。 ?

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