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邢华斌教授课题组“量体裁衣”报道“丙炔单分子笼” 吸附策略

编辑:admin 日期:2018-01-29 13:01 访问次数:344

 结构相似复杂混合物中痕量组份的深度脱除一直是化工分离领域的技术挑战之一。这要求分离材料不仅可以高效辨识相似分子结构之间的微小差异,同时要求分离材料在极低浓度下对目标分子有较高的吸附容量。传统多孔吸附剂难以满足这一苛刻要求,这极大的限制了节能高效吸附分离工艺的开发。丙烯是全球第二重要的烯烃原料(年产量超85百万吨),裂解后经初步分离得到的丙烯气体中含有1000-2000ppm的丙炔,需将丙炔浓度脱除至1-5ppm才能满足下游丙烯聚合的苛刻要求。

 “量体裁衣”是设计多孔吸附剂的有效手段。近日,浙江大学低碳烃与药物分离课题组与国外合作首次报道了“丙炔单分子笼吸附”策略。根据丙炔分子的形状特征,构建相适应的阴离子柱撑超微孔材料,增强对丙炔分子的“专一性”以及“亲和力”,从而实现丙烯混合气中痕量丙炔的高效脱除。阴离子柱撑超微孔材料具有立方网格结构,阴离子呈层状阵列。研究中针对丙炔分子的三维尺寸(4.16 × 4.01 × 6.51 Å3),在极高精度上(0.1-0.2 Å)微调孔道的长宽高,构建了丙炔气体的单分子笼,丙炔分子可以完美镶嵌在孔道中,且与层状排列的阴离子表现出很强的亲和力。孔道结构的“量身定做”使得该材料表现出丙炔分子专一的捕集能力。在25 ℃, 700 ppm时,丙炔的吸附量就高达80 mg g-1, 极低浓度3000 ppm 即达到饱和吸附容量106 mg g-1,而相应的丙烯吸附量低于3 mg g-1,丙炔丙烯分离选择性超过250,是迄今为止报道的性能最佳的材料。固定床吸附实验证实丙炔单分子笼吸附可以实现痕量丙炔(1000 ppm)的深度脱除,获得的丙烯中丙炔浓度低于2 ppm,且吸附容量是文献报道最佳材料的9倍以上。

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图中从左到右依次为丙炔以及孔道结构示意图,PXRD解析丙炔气体吸附结构图以及吸附等温线图

 研究工作近期发表在Advanced Materials DOI:10.1002/adma.201705374IF=19.79)上,被选为Frontispiece论文,浙江大学博士生杨立峰和崔希利为论文共同第一作者,邢华斌教授为通讯作者,美国UTSABanglin Chen教授和NISTWei Zhou博士参与论文研究工作。邢华斌教授课题组近年来独立或与国内外课题组合作,在阴离子功能化材料气体分离领域进行了较为深入的研究,包括乙烯乙炔分离(Science. 2016, 353, 141-144, Adv. Mater. 2017, 29, 1704210, AIChE Journal, 2015, 61, 2016-2027),丁烯异构体分离Angew. Chem. Int. Edit. 2017, 129, 16500-16505, Very Important Paper and Cover Picture)二氧化硫脱除(Adv. Mater. 2017, 29, 1606929, Featured as Frontispiece, Adv. Funct. Mater. 2018, 1704292)

 论文网址:https://doi.org/10.1002/adma.201705374