研究背景

乙烯（C₂H₄）作為世界上產(chǎn)量最大的化工原料之一，在高分子、化工合成等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，被形象地稱之為全球化工行業(yè)支柱。工業(yè)上一般通過石油化工和煤化工用高溫裂解法得到原料氣，其中往往包含乙烷（C₂H₆）、乙炔（C₂H₂）等雜質(zhì)，傳統(tǒng)工藝純化乙烯耗能巨大，僅僅乙烯及其相關(guān)產(chǎn)品的分離能耗就占全球能量總產(chǎn)出的 0.3 %。物理吸附分離技術(shù)相比精餾和溶劑萃取等工藝，具有純化效率高，工藝操作簡(jiǎn)單，耗能低等特點(diǎn)是極具潛力的下一代純化技術(shù)。

然而，要實(shí)現(xiàn)乙烷/乙烯/乙炔三組分混氣中一步分離純化乙烯卻面臨諸多困難。首先，乙烯的動(dòng)力學(xué)直徑和四極矩分別為 4.16 ? 和 1.5×10^-26 esu cm²，恰好介于乙炔（3.3 ? 和 7.2×10^-26 esu cm²）與乙烷（4.4 ? 和 0.65×10^-26 esu cm²）之間（表 1），因此無法依照動(dòng)力學(xué)原理簡(jiǎn)單地通過尺寸篩分的方式實(shí)現(xiàn) C2 三組分一步分離乙烯；其次，通過熱力學(xué)調(diào)控，使得吸附劑對(duì)于乙炔和乙烷的吸附作用力大于乙烯似乎成為唯一選擇，但目前僅有少數(shù)多孔材料能夠做到這點(diǎn)。這是因?yàn)?，?duì)于滿足熱力學(xué)篩分的孔道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)目前仍不清楚。如何使吸附劑對(duì)于乙烷和乙炔吸附作用力強(qiáng)于乙烯，滿足上述條件的吸附劑孔道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是什么，是目前亟待解答的問題。

論文詳情

西北工業(yè)大學(xué)的陳凱杰教授課題組對(duì)上述問題展開研究，提出了 C2 三組分一步分離乙烯吸附劑孔道的一般規(guī)律，并闡釋了孔道規(guī)律與熱力學(xué)成因的內(nèi)在聯(lián)系，即：

（1）不含金屬位點(diǎn)。包含開放金屬位點(diǎn)（Open metal site, OMS）的孔道容易與不飽和烴類的 π 電子發(fā)生配位作用，對(duì)于乙烯親和力較強(qiáng)，不利于乙烯/乙烷之間的分離。

（2）極性孔表面。孔道表面裸露的 N/O/F 等極性原子容易與 H 原子酸性較強(qiáng)的乙炔形成更強(qiáng)的氫鍵，從而增強(qiáng)乙炔的吸附。

（3）狹窄的吸附空間。狹窄的吸附空間有利于體積較大且氫原子較多的乙烷接觸更多的孔道表面，形成多重弱親和作用，有效增強(qiáng)對(duì)乙烷的吸附，有利于三組分一步分離乙烯。

該工作作為一般性規(guī)律探索，能夠?yàn)榻窈笪絼┖Y選和孔道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。相關(guān)成果以“General pore features for one-step C₂H₄ production from a C2 hydrocarbon mixture”在Chemical Communications 上發(fā)表。

研究亮點(diǎn)

亮點(diǎn)一：提出了用于三組分 C2 烴類一步分離乙烯吸附劑的一般孔道特征

亮點(diǎn)二：通過所提出的孔道特征，篩選出四例代表性的金屬有機(jī)框架材料，實(shí)現(xiàn)了三組分 C2 烴類氣體的乙烯一步純化。并通過兩例反例，闡明了孔道特征在三組分 C2 烴類乙烯純化中的必要性。

亮點(diǎn)三：分子模擬的主-客體結(jié)構(gòu)信息印證了猜想的準(zhǔn)確性。

論文信息

General pore features for one-step C₂H₄ production from a C2 hydrocarbon mixture
Tao Zhang, Jian-Wei Cao, Shu-Yi Zhang, He Feng, Ye Li, Yu Wang*（王昱，西北工業(yè)大學(xué)）, Juan Chen, Teng Wang and Kai-Jie Chen*(陳凱杰，西北工業(yè)大學(xué))
Chem. Commun., 2022.
http://doi.org/10.1039/D2CC00177B

第一作者

張濤

西北工業(yè)大學(xué)

西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士后。2014 年本科畢業(yè)于西安交通大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，2019 年博士畢業(yè)于西安交通大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)研究院，獲材料科學(xué)與工程博士學(xué)位。主要從事配位聚合物的晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，孔化學(xué)調(diào)控及相關(guān)氣體吸附、分離和儲(chǔ)存方面的研究。迄今為止發(fā)表 SCI 論文 19 篇，包括 J. Am. Chem. Soc.；Nat. Commun.; ACS Appl. Mater. Interfaces; Chem. Commun.; Chin. J. Chem.; Inorg. Chem.; Chem. Eur. J.; Cryst. Growth Des.; CrystEngComm 等，其中第一作者論文 8 篇。參與國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目?jī)身?xiàng)，參加國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流會(huì)議三次，獲得省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)一項(xiàng)。

曹健瑋

西北工業(yè)大學(xué)

西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)槎嗫着湮痪酆衔镌O(shè)計(jì)及多組分體系下乙烯的一步提純。在 Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Nanoscale 等期刊發(fā)表多篇論文。

通訊作者

王昱 副教授

西北工業(yè)大學(xué)

西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院副教授。2019 年在中山大學(xué)獲博士學(xué)位，2019-2021 年在日本 AIST-京都大學(xué)從事博士后研究。主要從事多孔配位聚合物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在氣體吸附分離和小分子催化方面的應(yīng)用研究。以第一作者或通訊作者身份在 JACS., Angew, Chem. Commun., Inorg. Chem., Chem. Eur. J. 等刊物發(fā)表多篇論文。

陳凱杰 教授

西北工業(yè)大學(xué)

2008 年本科畢業(yè)于鄭州大學(xué)，2013 年獲中山大學(xué)博士學(xué)位，2014 年起在愛爾蘭利莫瑞克大學(xué)從事博士后研究。2018 年加入西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，任教授/博導(dǎo)。主要從事多孔分離材料的設(shè)計(jì)構(gòu)筑及氣體分離研究，以第一或通訊作者在 Science, JACS, Chem, Angew. Chem. Int. Ed. 等雜志上發(fā)表論文 30 余篇。目前擔(dān)任特種功能與智能高分子材料工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，西安市功能有機(jī)多孔材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。2018 年入選國(guó)家海外高層次人才引進(jìn)青年項(xiàng)目，并入選“2019 中國(guó)十大新銳科技人物”。

化學(xué)試劑