Adv. Mater.：从乙烯中分离微量乙炔的突破进展

编辑部实习生 7年前 (2017-11-22) 4773浏览

【引言】

传统的气体分离技术，比如低温蒸馏技术，属于能量密集型，其能耗占据全球能耗的10-15%。而利用多孔材料，通过吸附分离或膜分离技术，有望替代传统技术，发展为高效节能的分离提纯技术。

孔的调控和功能化是引入分子筛和优先结合效应的有力方式，并因此对多孔材料的气体分离提纯效果发挥重要作用。除了传统的沸石材料，金属有机框架（MOFs）材料得到了广泛研究，丰富了用于气体分离提纯的多孔材料体系。近来，MOFs材料用于C2H2/C2H4以及C3H6/C3H8分离的研究尤为热点。已报道的SIFSIX-2-Cu-i和NbOFFIVE-1-Ni材料仍存在trade-off问题（吸附容量和选择性难以兼具）。

理想分子筛结构，能够完全排除大的气体分子，同时保持对小的气体分子高的吸附容量，可有效解决trade-off问题。但是至今未发现用于分离提纯轻烃的理想分子筛结构。

【成果介绍】

近日，浙江大学陈邦林教授和邢华斌教授、利默里克大学Michael J. Zaworotko教授和国家标准研究中心周伟（共同通讯作者）等人在Advanced Materials上发表了题为“An Ideal Molecular Sieve for Acetylene Removal from Ethylene with Record Selectivity and Productivity”的文章。

他们研究了SIFSIX-2-Cu-i的新变体材料SIFSIX-14-Cu-i（又被称作UTSA-200），通过极细微的孔径调节（3.4 Å），有效地排除了C2H4分子，而对C2H2分子具有较高的吸附容量58cm3cm-3（0.01bar、298K）。因此，该材料为吸附容量和选择性建立新的基准。利用它，1/99 C2H2/C2H4中C2H2分子的提纯容量最大值达1.18mmol g-1，并且可获得纯度为99.9999%的C2H4，比聚合级乙烯的纯度（99.996%）还要高。

【图文导读】

图1.UTSA-200a结构和吸附模型的研究

（a）UTSA-200a的孔道结构；

（b）DFT-D计算得到的C2H2在UTSA-200a中的吸附模型表明，C2H2分子能够通过上述孔径的孔；

（c）模拟C2H4在UTSA-200a中的吸附，结果表明C2H4太大而不同通过孔；

（d）C2H2吸附在UTSA-200a上形成的理想分子筛结构示意图，适用于结合C2H2分子的较大孔腔通过窄孔径开口连接起来。不同的网格用灰色和紫色加以区别。不同元素对应颜色：Cu（蓝绿色）、Si（深绿色）、F（红色）、N（蓝色）、C（灰色）以及H（绿色）

图2.等温吸附曲线和UTSA-200a的中子衍射晶体结构

（a）UTSA-200a在196K时对CO2以及在77K时对N2的等温吸附曲线；

不同压力范围内，298K时C2H2（圆圈）和C2H4（三角）在UTSA-200a中的吸附曲线：（b）0-1.0 bar，（c）0-0.05；

（d）压力为0.01bar时，C2H2在UTSA-200a以及其他材料中的吸附量；

200K时，UTSA-200a的中子衍射晶体结构图（e）沿着c轴观察，（f）沿着b轴观察。

图3.C2H2/ C2H4（1/99）混合气中UTSA-200a的IAST计算和模拟及实验结果

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

（c）基于各种MOF材料，C2H2/ C2H4分离的模拟穿透曲线；

（d）模拟穿透中，C2H2的捕获量与穿透时间的关系曲线；

（e）温度为298K，压力为1.01bar时，基于不同材料，C2H2/ C2H4分离的实验穿透曲线；

（f）多种混合气体的穿透实验中UTSA-200a的循环性。

【小结】

理想分子筛结构很难获得，而它是一种高能效的气体分离路线。本研究第一次发现，具备理想分子筛结构的MOF材料可通过调节孔径和引入特殊的结合位点实现。研究的UTSA-200材料能够从1/99的C2H2/C2H4混合气中分离出微量的C2H2，奠定了C2H2高选择性及捕获能力的新基准，并打破了C2H4的产能记录。UTSA-200有望成为从C2H4中分离微量C2H2的工业吸附剂。此外，相关原理的研究具有普适性，将为其他气体分离提纯用理想分子筛结构的设计和制备提供指导意义。

文献链接：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.

本文由材料人编辑部maggie编辑，周梦青审核，点我加入材料人编辑部。

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