【材料】段金贵教授课题组Angew：“受限旋转快门策略”用于丙炔/丙烯分子筛分- 大数跨境

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2023-11-25

导读：段金贵教授课题组在前期工作基础上，设计了一种受限旋转快门策略，其中吡啶环在卤键配位框架（命名为NTU-88）的受限纳米空间内发生响应旋转。

化学工业在很大程度上依赖蒸馏或催化转化将化学物质分离成纯净的形式，但总体能耗居高不下。开发高效、节能和低成本的过渡或替代技术势在必行。基于多孔材料中的吸附分离展现明显优势，有望将能耗强度降低为原有的十分之一或更少。然而，实际运行的障碍仍然存在，比如设计合理的材料，如何有效的从丙烯中祛除痕量的丙炔等。这主要是由于二者具有非常相似的分子结构和物理属性。

柔性多孔配位聚合物由于其结构动态的独有特性，展现对相似分子的不同识别能力。然而，共吸附现象在该类材料中几乎不可避免。因为传统柔性结构的动态往往是随机的，或者动态幅度过大，进而导致选择性不高和分离效率地下的问题。为了解决这疑难题，段金贵教授课题组在前期工作基础上（J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 8043; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 24425），设计了一种受限旋转快门策略（图1），其中吡啶环在卤键配位框架（命名为NTU-88）的受限纳米空间内发生响应旋转。NTU-88产生的最大孔径为4.4 Å，该尺寸非常接近丙炔（4.4 Å）的分子尺寸，但小于丙烯（5.4 Å）尺寸，从而实现在室温条件下丙炔/丙烯的高效筛分分离。

图1. 通过消除共吸附的受限旋转快门策略实现筛选丙炔/丙烯筛分分离。

基于NTU-88的柔性开孔特点，作者对其吸附过程的结构变化进行了探索，通过原位PXRD表征，得到了两种气氛下的不同结果。随着压力增加，在丙炔气氛下，XRD的峰逐渐偏移甚至合并，显示出新相的形成。相反，在丙烯气氛下的PXRD图案没有显示出任何变化（图2）。这一观察与吸附结果一致。通过原位PXRD，进一步得到了不同压力状态下的NTU-88框架，清晰的展示了柔性结构变化过程（图3）。此外，材料的低价格、高吸附比、高吸附容量、规模化制备和良好稳定性等特点赋予NTU-88实际应用的潜质（图4）。

图2. NTU-88的原位PXRD表征。

图3 不同状态下的NTU-88框架结构。

图4. NTU-88高效筛分过程及材料在分钟内的批量制备。

综上，研究者在前期柔性MOF的研究基础上，设计了一种受限旋转快门策略。精确控制孔道尺寸（4.4 Å），达到理想筛分效果。通过原位XRD和理论模型计算进一步明确了筛分机制。穿透实验表明其具有优良的分离能力，可得到高纯度丙烯。极短时间内通过搅拌合成大量样品，赋予其工业可行性。这些结果表明NTU-88是丙炔/丙烯筛分的优良材料。

该成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章第一作者是博士生万晶梦，通讯作者是南京工业大学段金贵教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Molecular Sieving of Propyne/Propylene by a Scalable Nanoporous Crystal with Confined Rotational Shutters

Jingmeng Wan, Hao-Long Zhou, Kim Hyeon-Deuk, I-Ya Chang, Yuhang Huang, Rajamani Krishna, Jingui Duan*

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202316792

导师介绍

段金贵

https://www.x-mol.com/university/faculty/27667

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