美国罗格斯大学Energy Environ. Sci.：一种微孔金属有机框架分子筛用于直链,单支链和双支链烷烃异构体的吸附性分离

【引言】

将混合的化学组份提纯为纯组份是一个能源消耗量很大的过程，占全球能源消耗量的10-15%。因此，发展更加节能的分离方式在节约能源和减少二氧化碳排放方面具有重要的意义。其中，分离不同支化度的烷烃同分异构体在石油化工领域依然面临一定的技术挑战。除了传统能耗较高的蒸馏分离，目前用于烷烃同分异构体分离的吸附剂材料是5A分子筛。虽然5A分子筛能较有效地分离直链和支链烷烃，但其不能用于分离单支链和双支链的烷烃异构体，而这一分离过程是进一步提高汽油辛烷值的关键。因此需要探索更好的技术来解决这个问题。

【成果简介】

近日，美国罗格斯大学的李静教授课题组，报道了一种基于钙的微孔金属有机框架化合物，并首次实现了通过单种吸附剂完全分离直链、单支链和双支链的烷烃同分异构体。这种可以完全筛分单支链和双支链烷烃同分异构体的分离技术，不仅可以获得具有更高辛烷值的汽油，并且填补了目前分离技术的空白。该成果以题为"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"发表在Energy Environ. Sci.上。

【图文导读】

图1 Ca(H₂tcpb)的晶体结构和一维通道形状

(a).Ca(H₂tcpb)的晶体结构

(b).Ca(H₂tcpb)的一维通道形状

图2 Ca(H₂tcpb)在不同温度下对不同物质的等温吸附曲线

(a), (b), 和(c) 分别为正己烷，3-甲基戊烷，和2,2-二甲基丁烷在不同温度下的吸附等温线。黑色，红色，蓝色，紫色，绿色分别代表30,60,90,120,150 °C的吸附曲线。(d)和(e)为三种异构体在60和120 °C时的吸附曲线对比。 (f)为设计分离示意图。

图3 分离装置和分离结果

(a)/(d)为正己烷、3-甲基戊烷、2,2-二甲基丁烷的三组分透过装置和结果。

(b)/(e)为正己烷、3-甲基戊烷的双组分透过装置和结果。 (c)/(f)为3-甲基戊烷、2,2-二甲基丁烷的双组分透过装置和结果。

图4 不同吸附形式的Ca(H₂tcpb)的XRD结果

通过对不同吸附形式的XRD分析，作者将该材料独特的吸附分离性能归结为其结构特点以及对不同烷烃异构体分子的不同作用力。 该材料的晶体结构有一定的柔性，其对不同烷烃异构体分子的吸附具有特定的效应，并且对同一分子在不同温度下的吸附效应也不同，因此可实现温度调控下的有效分离。

【小结】

在这个工作中，作者报道了一种可用于完全分离直链、单支链和双支链烷烃同分异构体的金属有机框架化合物。在提供更高质量汽油的同时，解决了传统分离材料不能分离单支链和双支链烷烃同分异构体的问题，填补了此类分离技术的空白。这个工作为后续分离材料的设计提供了新的思路。

文献链接：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)

【团队介绍】

该论文作者中文名：王浩，董兴隆，（Ever Velasco，David H. Olson），韩宇，李静。

团队信息: 李静教授于1989年在美国康奈尔大学获得博士学位（师从诺贝尔化学奖得主罗德·霍夫曼教授），现任美国罗格斯大学化学与化学生物学系资深终身教授，美国化学会《晶体生长与设计》副主编，美国科学促进协会会员，皇家化学会会员。曾获美国总统奖、美国能源部颁发的首届清洁能源创新贡献奖、德国洪堡基金会的洪堡研究奖等，并于2015、2016连续两年入选汤森路透集团颁布的全球高被引科学家名单。主要研究方向为新型杂化半导体材料和微孔材料的设计开发以及它们在节能LED、太阳能电池，气体储存、气体分离、有害物检测及去除和基于荧光化学检测方面的应用。迄今发表学术论文330余篇，并拥有13项专利。

李静教授团队近年来在设计、合成新型多孔材料并用于烃类分离，稀有气体分离、有害物捕获等领域取得持续进展，是最早将金属有机框架材料用于碳氢化合物吸附分离的课题组之一。在这一领域代表性工作包括：

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.

本文由材料人学术组gaxy供稿，材料牛整理编辑。  

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