近日，廣東省功能配位超分子材料重點實驗室、太阳集团1088vip陸偉剛和李丹教授研究團隊在Chemical Engineering Journal上發表了題為“A Metal-organic Framework for C₂H₂/CO₂ Separation under Highly Humid Conditions: Balanced Hydrophilicity/Hydrophobicity”的研究論文。

圖1、論文首頁截圖

目前，工業乙炔（C₂H₂）純化能耗較高且分離效率較低，基于多孔材料的低能耗吸附分離被認為是炔烴純化的替代綠色技術。而大多數用于C₂H₂/CO₂分離研究的MOF材料在水蒸氣的存在下會降低C₂H₂的吸附能力和選擇性，甚至導緻MOF結構的不可逆破壞，最終限制其在實際應用中的可行性。因此通過設計具有平衡親水性/疏水性的穩定MOF材料，不僅可以有效地降低濕度對分離能力的影響，而且還可以在濕度條件下實現高的C₂H₂吸附容量和C₂H₂/CO₂吸附選擇性。

在此前該團隊研究論文（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 20390, DOI:10.1021/jacs.9b10923）報道的籠狀微孔金屬-有機框架（JNU-2）基礎上，克級合成得到該框架材料。JNU-2在潮濕條件下，能實現C₂H₂/CO₂的高效分離。該材料在298 K和1 bar壓力下，對等摩爾C₂H₂/CO₂混合物的C₂H₂捕獲能力可達3.08 mmol g^-1，超過了許多基準MOF材料，如UTSA-74a和 FeNi-M'MOF，并且具有很好的循環性。此外，即使在高度潮濕的條件下，JNU-2仍能保持其C₂H₂/CO₂分離能力。GCMC模拟和DFT計算結果表明，JNU-2框架的表面能夠通過多個C–H···O、C–H···N和π絡合相互作用優先結合C₂H₂。同時JNU-2在~30%相對濕度處的水蒸氣吸附和水接觸角測試證明該材料近疏水，通過吸附動力學曲線對JNU-2中C₂H₂、CO₂和H₂O的擴散常數進行計算比較，發現C₂H₂和CO₂在JNU-2中的擴散速度比H₂O快兩個數量級以上，說明平衡的疏水性/親水性框架表面是JNU-2在高濕度條件下保持C₂H₂/CO₂分離能力的關鍵。

該工作為設計合成高濕度下C₂H₂/CO₂分離的金屬-有機框架材料提供了可參照的思路。此外，JNU-2優異的穩定性和循環性能以及能克級合成，使其有望應用于實際工業生産。

圖2、JNU-2在不同濕度下等摩爾C₂H₂/CO₂的穿透曲線

上述工作得到了國家自然科學基金重點項目、廣東省重大基礎與應用基礎計劃、廣東省自然科學基金的資助。

論文信息：

Xiao-Jing Xie, Heng Zeng, Mo Xie, Wei Chen, Gui-Fang Hua, Weigang Lu,* Dan Li* 

A metal-organic framework for C₂H₂/CO₂ separation under highly humid conditions: Balanced hydrophilicity/hydrophobicity

Chemical Engineering Journal 427 (2022) 132033.

原文鍊接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721036123