基于超微孔构筑单元(UBU)策略实现MOF材料 兼具超高乙炔储存容量和分离性能-陕西省大分子科学重点实验室

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基于超微孔构筑单元(UBU)策略实现MOF材料 兼具超高乙炔储存容量和分离性能
发布时间:2019-11-18     作者:   分享到:

乙炔作为最简单的炔烃,不仅是重要的燃料气体,而且广泛用于合成丙烯酸衍生物、橡胶、纤维和塑料等,但由于在液态和固态下或在气态和一定压力下有猛烈爆炸的危险,因此不能在加压液化后贮存或运输。另一方面,在生产乙炔的过程中,由于石油炼制中的蒸汽裂解,通常产生甲烷和二氧化碳而无法得到高纯度乙炔,特别是乙炔和二氧化碳,由于分子大小、极性等性质相似,是目前气体分离中的难题之一。故实现兼具高的乙炔储存及分离性能具有极其重要的意义。

针对该挑战,陕西省大分子科学重点实验室翟全国教授团队和美国加州州立大学长滩分校卜显辉教授在前期系统研究MOF材料孔道分区(Acc。 Chem。 Res。, 2017, 50, 407-417;Nature Commun。, 2016, 7, 13645;JACS, 2016, 138, 15102-15105;JACS, 2015, 137, 1396-1399等)的基础上,提出了一种超微孔构筑单元(Ultramicroporous Building Unit,UBU)新合成策略(图1):基于超微孔构筑单元的超微孔能够促进气体的分离,同时超微孔之间形成较大的堆积孔能够增强气体的吸附能力,从而解决传统气体吸附过程分离选择性和容量难以兼具的巨大挑战。

1 超微孔构筑单元(UBU)策略设计思想

这种UBU策略的有效性在具有超微孔的八面体笼构筑的SNNU-45材料中得到了很好的证明,UBU空间中直线相对的开放金属位点之间4.5 Å的距离,能够很好的与一个或多个C2H2分子的π键作用,但是在两开放金属位点之间很难直立一个CO2分子,同时笼窗口中未配位的羧基氧也能够促进其对乙炔分子的吸附能力,在273 K,298 K和1 atm的条件下,对C2H2的吸附量分别可以达到193.0 和 134.0 cm3 g-1,同时在298 K对 C2H2/CO2的IAST分离比可以达到8.5,常温常压下,C2H2/CO2的穿透时间可以达到79 min g-1。通过GCMC模拟实验也进一步证明了该结构中主要是通过UBUs促进 C2H2/CO2的分离,而UBUs之间的堆积孔则增强了C2H2的吸附容量。

        

2. SNNU-45中超微孔建构单元(UBU)及其三维结构(左);计算模拟不同温度条件下C2H2分子在SNNU-45孔道中的具体分布(右)。

UBU策略的提出不仅为高的乙炔储存和分离提供了解决方法,而且也为其它小分子气体的储存分离提供新的思路和策略参考。这一成果近期发表在 Angew。 Chem。 Int。 Ed。上,文章的第一作者为是陕西师范大学2016级博士研究生李永鹏。

具体文章信息及链接如下:

Yong-Peng Li, Ying Wang, Ying-Ying Xue, Hai-Peng Li, Quan-Guo Zhai*, Shu-Ni Li, Yu-Cheng Jiang, Man-Cheng Hu, and Xianhui Bu*, Ultramicroporous Building Units as a Path to Bi-microporous Metal-Organic Frameworks with High Acetylene Storage and Separation Performance, Angew。 Chem。 Int。 Ed。, 2019, 58, 13590-13595。

https://onlinelibrary。wiley。com/doi/full/10。1002/ange。201908378


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