近日，广东省功能配位超分子材料重点实验室、暨南大学化学与材料学院陆伟刚和李丹教授研究团队在Chemical Engineering Journal上发表了题为“A Metal-organic Framework for C₂H₂/CO₂ Separation under Highly Humid Conditions: Balanced Hydrophilicity/Hydrophobicity”的研究论文。

图1、论文首页截图

目前，工业乙炔（C₂H₂）纯化能耗较高且分离效率较低，基于多孔材料的低能耗吸附分离被认为是炔烃纯化的替代绿色技术。而大多数用于C₂H₂/CO₂分离研究的MOF材料在水蒸气的存在下会降低C₂H₂的吸附能力和选择性，甚至导致MOF结构的不可逆破坏，最终限制其在实际应用中的可行性。因此通过设计具有平衡亲水性/疏水性的稳定MOF材料，不仅可以有效地降低湿度对分离能力的影响，而且还可以在湿度条件下实现高的C₂H₂吸附容量和C₂H₂/CO₂吸附选择性。

在此前该团队研究论文（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 20390, DOI:10.1021/jacs.9b10923）报道的笼状微孔金属-有机框架（JNU-2）基础上，克级合成得到该框架材料。JNU-2在潮湿条件下，能实现C₂H₂/CO₂的高效分离。该材料在298 K和1 bar压力下，对等摩尔C₂H₂/CO₂混合物的C₂H₂捕获能力可达3.08 mmol g^-1，超过了许多基准MOF材料，如UTSA-74a和 FeNi-M'MOF，并且具有很好的循环性。此外，即使在高度潮湿的条件下，JNU-2仍能保持其C₂H₂/CO₂分离能力。GCMC模拟和DFT计算结果表明，JNU-2框架的表面能够通过多个C–H···O、C–H···N和π络合相互作用优先结合C₂H₂。同时JNU-2在~30%相对湿度处的水蒸气吸附和水接触角测试证明该材料近疏水，通过吸附动力学曲线对JNU-2中C₂H₂、CO₂和H₂O的扩散常数进行计算比较，发现C₂H₂和CO₂在JNU-2中的扩散速度比H₂O快两个数量级以上，说明平衡的疏水性/亲水性框架表面是JNU-2在高湿度条件下保持C₂H₂/CO₂分离能力的关键。

该工作为设计合成高湿度下C₂H₂/CO₂分离的金属-有机框架材料提供了可参照的思路。此外，JNU-2优异的稳定性和循环性能以及能克级合成，使其有望应用于实际工业生产。

图2、JNU-2在不同湿度下等摩尔C₂H₂/CO₂的穿透曲线

上述工作得到了国家自然科学基金重点项目、广东省重大基础与应用基础计划、广东省自然科学基金的资助。

论文信息：

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.

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721036123