暨南大学化学与材料学院、广东省功能配位超分子材料及应用重点实验室教授陆伟刚/李丹团队在丙烯/丙烷分离研究方面实现新突破。相关研究7月21日在线发表于《自然》。

该研究提出了一种新的分离机制——正交阵列动态筛分，在由金属节点和有机配体通过自组装形成的一类具有确定组成与结构和多样化孔道的新兴晶态多孔材料金属-有机框架上，成功解决了传统分子筛吸附动力学缓慢和吸附量低的问题。该研究可被广泛应用于石油化工、疫情防控、医疗卫生等多个领域。

丙烯是全球产量最高的基础有机化工原料之一，年产量超过1亿吨。工业上，丙烯主要通过石油催化裂解或丙烷脱氢来制备。聚合级丙烯主要用于生产聚丙烯。丙烷裂解生产丙烯是工业界重要的技术路线。然而，这一技术并不能直接得到高纯度丙烯。为去除残留的丙烷，工业上往往以高昂的设备投资和巨大的能量消耗作为代价。

金属—有机框架材料（MOF）是一类新兴的由金属节点和有机配体通过自组装形成的具有确定组成与结构的晶态多孔材料。和传统的多孔材料（分子筛、活性碳等）相比，前者凭借其可设计剪裁的框架和丰富多样的孔道结构吸引了科研工作者的广泛兴趣。

研究人员针对MOF材料，首次提出正交阵列动态筛分机制，成功构筑了一例基于该分离机制的框架材料（命名为JNU-3）。该材料拥有三维网格结构，沿着晶体学a轴是4.5 × 5.3Å的一维通道，在一维通道两侧是排列整齐的分子口袋，分子口袋和一维通道通过一个约3.7Å的动态“葫芦形”窗口相连。

据介绍，气体可以在一维通道中快速扩散，而分子口袋则通过“葫芦形”窗口选择性地捕获丙烯分子，从而获得迄今为止最佳的丙烯/丙烷分离效果。研究人员通过原位单晶衍射和计算模拟解析了丙烯和丙烷分子与JNU-3的相互作用的筛分机制和动态过程。

“寻求绿色的分离方案，是未来实现碳达峰、碳中和的重大需求。”李丹表示，分子筛是一种很成熟的分离材料，已被广泛应用于石油化工、煤化工、空气分离与净化、环境治理等多个领域。但是，分子筛吸附剂的应用也存在许多挑战，例如，精确的孔径设计困难，吸附动力学缓慢和吸附量低。

由研究人员设计、开发并合成的基于该筛分机制的JNU-3材料，其一维通道带有嵌入的动态分子口袋，可以在本质上不同的压力下高效地分离丙烯/丙烷（1/1）混合物，每公斤JNU-3可以得到53.5升聚合级（99.5 %）的丙烯，具有迄今为止最佳的丙烯/丙烷分离性能，实现了丙烯/丙烷分离领域的突破性进展，为设计下一代分离材料指出了新方向。

该研究还发现，丙烯/丙烷（50/50）混合物在298K下以1mL/min的总流速流过填充床，丙烷首先通过，未被丙烯污染，收集到的丙烷纯度不低于99.99%。一段时间后吸附剂达到饱和，丙烯发生穿透，出口气流中的丙烯和丙烷迅速达到等摩尔浓度，表现出JNU-3材料的优异突破性。

“JNU-3材料性能均明显优于文献报道的材料。”李丹表示，在丙烯的脱附过程中，根据丙烯的解吸曲线，混合气体流速为1mL/min和6 mL/min时，丙烯的生产能力和纯度分别为34.2L/kg（99.5%）、53.5L/kg（99.5%），即使在50%相对湿度的潮湿条件下，流速为6.0mL/min等摩尔丙烯/丙烷混合气，丙烯分离的生产能力也高达44.9L/kg（99.5%）。

陆伟刚/李丹团队长期致力于超分子配位功能材料的分子设计、合成技术、晶体工程和材料创制，探索这些材料在能源、环境和生物医药等领域的应用，已发展了“柔性框架材料诱导锲合机制（JNU-1）”和“笼状腔体多层筛分机制（JNU-2）”等新型能源气体吸附分离理论和概念。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03627-8