吴明燕Angew.：同时具有超高乙炔存储与优异C2H2/CO2分离能力的笼状多孔材料

研究背景

据统计到2025年底，全球乙炔(C2H2)气体市场的规模能够达到69亿美元。同时作为丙烯酸、氯乙烯和聚酯塑料的生产原料，乙炔气体在工业生产中扮演着重要的角色。然而由于乙炔和二氧化碳气体的分子尺寸和物理性质非常相似（分子大小：C2H2 3.3 × 3.3 × 5.7 ų，CO2 3.2 × 3.3 × 5.4 ų 沸点：C2H2 189.3 K，CO2 194.7 K），因此如何做到简单有效的分离这两种混合气体一直是困扰科学家们的一大难题。传统的溶剂萃取和低温蒸馏的分离方法往往需要很高的塔板数耗费大量的能源，因此科学家们将目光转向更加节能和环保的基于吸附的分离方法。

内容简介

在过去的一段时间里，Eddaoudi, 陈邦林，马胜前，何亚兵等课题组为了有效的分离乙炔和二氧化碳的混合气体做了大量的工作，并取得了杰出的成果。但是，目前大多数的分离材料在提高吸附容量和增强分离选择性方面往往不能够做到两者兼顾，即存在trade-off现象。为了解决这一问题，我们在先前研究的基础上发现，具有笼状空腔的配合物FJI-H8拥有超高的乙炔存储能力。经过GCMC计算我们发现其超高的乙炔存储能力是由合适的孔结构所贡献的，而不是来自于开放的金属位点。这就为我们实现C2H2/CO2的有效分离打开了另外一扇大门。

图1. 笼状配合物FJI-H8-R（R = Me，Et，ⁿPr和ⁱPr）均具有出色的C2H2 / CO2分离性能，可以克服吸附容量和分离能力之间存在的trade-off现象。

图文导读

在之前所做工作的基础上，中国科学院福建物质结构研究所吴明燕研究员团队开发了一系列同时具有超高乙炔存储与优异C2H2/CO2分离能力的笼状多孔材料。由于该系列配合物都具有合适的笼状空腔结构，它们在1 bar和298 K条件下均表现出较高的C2H2吸附容量。同时由于这些配合物对C2H2和CO2的吸附容量存在明显的差异，因此它们对C2H2/CO2混合气体能够表现出良好的分离能力。

图2. FJI-H8-R系列配合物的C2H2和CO2吸附等温线。（a – d，Me，Et，ⁿPr和ⁱPr）；FJI-H8-R系列配合物对CO2和C2H2的吸附焓（e）; FJI-H8-R系列配合物在等摩尔混合物下对C2H2/CO2的IAST吸附选择性（f）;

动态突破分离实验测试结果表明，这一系列配合物均表现出良好的C2H2/CO2分离能力，分离时间最长的可以达到90 min g^-1。我们通过改变混合气体的流速从2.0 mL min^-1、4.0 mL min^-1、6.0 mL min^-1、8.0 mL min^-1直到10.0 mL min^-1，FJI-H8-R系列配合物均可以表现出良好的C2H2/CO2分离效果。GCMC (Grand Canonical Monte Carlo) 模拟计算结果表明，在该系列配合物中合适的孔结构和笼状空间是其优异分离性能的关键。

图3. FJI-H8-R系列配合物在298 K下对CO2/C2H2二元混合物分离(50:50)的突破分离曲线。所有实验的总压力均为1.01 bar，气速为2 mL·min^-1 b)样品在80℃下重新活化半小时后再次用于分离CO2/ C2H2。c) 298 K下不同流速(2.0 mL min^-1、4.0 mL min^-1、6.0 mL min^-1、8.0 mL min^-1和10.0 mL min^-1)的突破分离曲线。混合气体的流速由质量流量器调节(可调节范围0-20 mL min^-1)。

总结与展望

因此，FJI-H8-R系列配合物可以在一定程度上解决吸附容量和分离性能之间存在的trade-off现象，从而实现乙炔和二氧化碳混合气体的有效分离。我们认为这种笼状空腔策略对于开发具有优异C2H2/CO2分离能力的高性能MOF材料提供了全新的途径。

图4. FJI-H8-R系列配合物与所报道过的材料对C2H2/CO2分离能力的对比。

论文信息

Cage-like Porous Materials with Simultaneous High C2H2 Storage and Excellent C2H2/CO2 Separation Performance. Zhengyi Di, Caiping Liu, Jiandong Pang, Cheng Chen, Falu Hu, Daqiang Yuan, Mingyan Wu* and Maochun Hong. Angewandte Chemie International Edition. DOI: 10.1002/anie.202101907

通讯作者简介

吴明燕，中国科学院福建物质结构研究所研究员，博士生导师。2007年6月毕业于中科院福建物质结构研究所并获无机化学博士学位，导师洪茂椿院士。目前已在 Angew. J. Am. Chem. Soc. Nat. Commun. Chem. Sci. 等期刊上发表研究论文90多篇，第一作者或通讯作者论文25篇, 其中4篇论文为封面文章, 1篇入选ESI高被引频次论文(top 1%), 单篇最高他引141次，授权专利1项。作为项目负责人，主持国家基金委面上项目两项、国家基金委青年基金一项及福建省青年基金一项。2014年入选“中国科学院青年创新促进会”并获评“中科院青促会优秀会员”；2015年入选海西研究院“春苗”青年人才专项；2018年组建团队独立开展研究工作；2019年获福建省自然科学奖一等奖，排名第二。

课题组网页：

http://www.fjirsm.cas.cn/research/R1/wmy_group/ktzjj_164289/

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