我院张杰鹏教授团队在Nature Materials发表吸附分离新概念:中间尺寸分子筛

稿件来源:院办 发布人:李心宇 编辑:院办 责任审核人:陈文波 发布日期:2019-07-31

        近日,我院张杰鹏教授团队在Nature Materials发表论文,报道了配位聚合物多孔材料吸附分离研究的新进展,提出并验证了中间尺寸分子筛概念。

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1 2019715日我院张杰鹏教授团队在Nat. Mater.发表论文

 

        化学混合物的分离与提纯是化工行业中的能耗大户。例如,作为合成橡胶、热塑性塑料、树脂等的单体原料,苯乙烯主要产自乙苯的催化裂解/脱氢反应。因为该反应受热力学限制,产物中含有大量未反应的乙苯原料,还有一些副产物如苯和甲苯。工业上一般需要使用多个真空蒸馏/精馏塔才能得到聚合纯度(99.5%)的苯乙烯。

        将传统分离纯化技术如蒸馏改为基于多孔材料的吸附分离有望大大降低能耗。分子筛(molecular sieve)具有分子级均匀孔径,可以只让小于孔径的分子通过,可以达到理想的吸附选择性。但是,当混合物中存在多种尺寸各异的成分,而且提纯目标不是尺寸最小的成分时,分子筛的效果就会大打折扣。例如,苯乙烯的尺寸介于乙苯和苯/甲苯之间,用分子筛无法通过一次吸附获得高纯苯乙烯。

        张杰鹏教授研究团队长期致力于配位聚合物多孔材料的设计、功能和机理研究,已发展了“动力学控制的柔性”(J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 6010; Natl. Sci. Rev. 2018, 5, 907)、“亲水孔道捕获疏水分子”(Nat. Commun. 2015, 6, 8697、“控制客体分子构型调控吸附选择性”(Science 2017, 356, 1193)等多种吸附分离理论/概念。最近,他们又提出了一种新的吸附分离原理,称为中间尺寸分子筛(intermediate-sized molecular sieveiSMS),能在复杂混合物只吸附中间尺寸的目标成分,解决类似苯乙烯分离提纯等重大需求。为实现这种特殊的吸附行为,多孔材料必须具有合适的柔性,从而结合热力学原理(太小的分子吸附能不足以打开柔性框架)和动力学原理(太大的分子尺寸超过打开的孔窗)排除非目标成分。他们设计合成了一例具有限制柔性的配位聚合物多孔材料MAF-41,实现了在乙苯、苯乙烯、甲苯和苯混合物中超高效纯化苯乙烯(选择性3300),只需一次吸附脱附循环,即可获得纯度99.9%+的苯乙烯。MAF-41还具有超高热稳定性(500 oC)、水稳定性(沸水,pH 314)以及超疏水特性,有利于实际应用。

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2 传统分子筛效应和中间尺寸分子筛效应对比

 

    Nature Materials杂志同期发表了Morris教授(University of St Andrews)的新闻评述论文(http://dx.doi.org/10.1038/s41563-019-0437-x),高度评价了该项工作。

        论文第一作者为周东东博士(2016年毕业于我院,现为我院特聘副研究员),张杰鹏教授为通讯作者。论文合作者包括中山大学国家超级计算广州中心的陈品工程师、杜云飞教授以及颜辉博士。

        该工作得到了陈小明教授的大力支持,以及国家自然科学基金、广东省珠江人才计划本土创新团队和广东省重点区域研发计划项目的资助。

 

        论文链接:http://dx.doi.org/10.1038/s41563-019-0427-z