高效分離烷烴異構(gòu)體對(duì)石油化工行業(yè)中提高汽油質(zhì)量具有重要意義，但這是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性和能源密集型的過程。目前全球?qū)ζ偷男枨笠堰_(dá)2610萬桶/天，年均增長(zhǎng)率為2.3%。汽油質(zhì)量主要由辛烷值(RON)來評(píng)價(jià)，而線性烷烴和支鏈烷烴的辛烷值存在顯著差異，分支度越高，RON越高。因此，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)汽油的關(guān)鍵在于從線性和單支鏈烷烴中分離出RON值最高的雙支鏈異構(gòu)體。然而，烷烴異構(gòu)體之間相似的物理和化學(xué)性質(zhì)，使得現(xiàn)今分離工藝具有高能耗、高成本的不足。
吸附分離是一種節(jié)能高效的分離技術(shù)，被廣泛用于低碳烴純化。然而，工業(yè)基準(zhǔn)材料5A分子篩只能從支鏈烷烴中捕獲線性烷烴且容量較低，這只允許RON增至88。相比之下，一種可以優(yōu)先篩分雙支鏈異構(gòu)體的材料可以將RON提高至96。此外，提高吸附劑對(duì)直鏈和單支鏈烷烴的吸附容量，對(duì)于強(qiáng)化分離過程同樣至關(guān)重要。而現(xiàn)今報(bào)道的吸附劑材料對(duì)烷烴異構(gòu)體的分離選擇性及對(duì)直鏈和單支鏈烷烴的吸附容量尚不盡人意。因此亟需尋求對(duì)線性和單支鏈烷烴異構(gòu)體具有高容量和選擇性的新型吸附劑材料，但極具挑戰(zhàn)性。
近日，新加坡國(guó)立大學(xué)的趙丹教授報(bào)道了一種具有負(fù)泊松比孔結(jié)構(gòu)的鉍基金屬-有機(jī)框架材料，該材料通過分子識(shí)別和篩分協(xié)同機(jī)制實(shí)現(xiàn)烷烴異構(gòu)體高效分離，可將RON提升至96+。
該材料由兩種鉍氧團(tuán)簇和均三苯甲酸構(gòu)成，其具有典型的負(fù)泊松比孔結(jié)構(gòu)。其每個(gè)孔穴可視為中心對(duì)稱的內(nèi)凹八變形，內(nèi)部具有兩種吸附位點(diǎn)。c軸方向上，上下相鄰的孔穴通過4個(gè)一維孔道串聯(lián)起來；b軸方向上，相鄰孔穴呈現(xiàn)交錯(cuò)排列，每個(gè)孔穴通過8個(gè)孔窗口與左右8個(gè)孔穴相連。這種交互貫通的孔道結(jié)構(gòu)極有利于客體分子的擴(kuò)散吸附，而狹窄的孔窗口可賦予該材料高分離選擇性。 將該材料用于C6異構(gòu)體的吸附，可發(fā)現(xiàn)其對(duì)直鏈正己烷具有較高吸附容量并可有效排阻雙支鏈烷烴，此外，其對(duì)單支鏈烷烴的吸附容量明顯低于直鏈烷烴，說明該材料對(duì)烷烴異構(gòu)體具有良好的分離選擇性。值得注意的是，該材料表現(xiàn)出現(xiàn)今最高的直鏈/雙支鏈烷烴吸附容量比及極高的IAST分離選擇性。動(dòng)態(tài)穿透實(shí)驗(yàn)表明該材料不僅可實(shí)現(xiàn)三組份烷烴異構(gòu)體的高效分離，同時(shí)對(duì)五組份混合物也具有優(yōu)越的分離性能，可將產(chǎn)品RON提高至96+。 該工作通過紅外光譜及DFT理論模擬計(jì)算研究了該材料對(duì)烷烴異構(gòu)體的吸附分離機(jī)理，結(jié)果表明該材料通過弱的主客體識(shí)別作用實(shí)現(xiàn)直鏈和單支鏈異構(gòu)體的有效區(qū)分。而該材料對(duì)雙支鏈異構(gòu)體的良好篩分性能得益于孔道內(nèi)部狹窄的孔穴窗口。 該工作尋求合理的孔道結(jié)構(gòu)通過分子識(shí)別及篩分協(xié)同機(jī)制實(shí)現(xiàn)烷烴異構(gòu)體的高效分離，這為尋求新型吸附劑材料及拓展孔工程在吸附分離中的應(yīng)用提供了一種新思路。 論文信息 Efficient Splitting of Alkane Isomers by a Bismuth-based Metal-Organic Framework with Auxetic Reentrant Pore Structures Zhaoqiang Zhang, Shing Bo Peh, Chengjun Kang, Kexin Yu, and Dan Zhao Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202211808
