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张振杰课题组报道一类具有最高乙炔分离比的金属-有机骨架材料
2018-08-06

乙炔(C2H2)作为重要的燃料气体, 广泛应用于生产工业商品塑料,丙烯酸衍生物,乙烯基化合物等。然而,在生产乙炔的过程中,由于石油炼制中的蒸汽裂解,通常产生甲烷和二氧化碳而无法或者高纯度乙炔。除此之外,消除乙烯中痕量的乙炔也是工业分离中一个非常重要且具有挑战性的过程,在聚乙烯生产中,乙炔是严重有害的污染物,它一方面使聚合用的催化剂中毒,另一方面可以形成固体金属乙炔化物阻塞管道甚至引起爆炸。目前,工业上有两种方法用于除去痕量的乙炔:一、使用大量有机溶剂萃取(如:DMF,丙酮等);二、使用贵金属对乙炔部分加氢使其转变为乙烯,但这两种方法成本高、对环境不友好、效率低。因此发展分离和纯化乙炔的新方法和新材料对于工业生产意义重大。

近期,南开大学化学学院张振杰研究员课题组和爱尔兰利莫瑞克大学Michael J. Zaworotko教授(南开大学化学学院客座教授)合作报道了一类超微孔金属-有机框架材料(NKMOF-1,南开金属有机框架-1)。该类材料不仅具有超强的水和酸碱稳定性,最重要的是该材料对乙炔具有前所未有的分离效果。作者通过原位X射线单晶衍射清晰的解析了乙炔的作用位点,并且结合计算模拟、红外光谱和混合气体穿透实验对乙炔作用力和分离性能进行详细的研究。研究发现NKMOF-1在低压区,对乙炔的吸附能力超过目前所有的材料,并且对C2H2/CO2 和C2H2/CH4混合气体的分离比打破了世界纪录,对于C2H2/C2H4的选择性也稍低于目前最好的材料(SIFSIX-14-Cu-i)。值得强调的是 NKMOF-1与乙炔气体分子的作用机理不同于已经报道的最好材料(SIFSIX系列材料中MF62-阴离子的强作用),这为设计和合成新型的可用于乙炔分离的多孔材料提供了新的策略 (图1)。

张振杰新闻图片.png

 

图1 NKMOF-1对乙炔的作用位点(a, b: 计算模拟数据; c,d:单晶数据)。

该工作近期发表在德国应用化学(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, DOI: 10.1002/anie.201806732)上,南开大学化学学院博士生彭云雷为第一作者, 硕士生李鹏飞和王婷参与课题。同时感谢暨南大学李丹教授团队的罗东博士以及山西大学的王俊豪博士在研究工作中给予的大力帮助。

张振杰研究员于2002-2009在南开大学获得学士和硕士学位,2010-2016年在美国获得博士学位和从事博士后工作。他自2016年入选国家青年千人计划回国以来,主要研究方向为多孔框架材料在分离方面的应用(气体分离和手性分离)、多孔框架材料膜的合成以及膜分离方面的研究、光驱动人工智能材料研究。课题组成立两年来已经取得了丰硕的成果,在德国应用化学(Angew. Chem. Int. Ed)上,先后发表了两篇关于多孔材料气体分离、光驱动智能材料高水平文章。欢迎对研究方向感兴趣的本科生、研究生、助理研究员加入课题组!