中大張杰鵬教授團隊Nat.Mater.吸附分離新概念:中間尺寸分子篩

導讀

近日，中山大學化學學院張杰鵬教授團隊在Nature Materials發表論文，報導了配位聚合物多孔材料吸附分離研究的新進展，提出並驗證了中間尺寸分子篩概念。論文第一作者為周東東博士（2016年畢業於我校化學學院，現為我校化學學院特聘副研究員），張杰鵬教授為通訊作者。論文合作者包括中山大學國家超級計算廣州中心的陳品工程師、杜雲飛教授以及顏輝博士。

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化學混合物的分離與提純是化工行業中的能耗大戶。例如，作為合成橡膠、熱塑性塑料、樹脂等材料的單體原料，苯乙烯主要產自乙苯的催化裂解/脫氫反應。因為該反應受熱力學限制，產物中會含有大量未反應的乙苯原料，還有一些副產物，如苯和甲苯。工業上一般需要使用多個真空蒸餾/精餾塔才能得到聚合純度（99.5%）的苯乙烯。

將傳統分離純化技術如蒸餾改為基於多孔材料的吸附分離有望大大降低能耗。分子篩（molecular sieve）具有分子級均勻孔徑，可以只讓小於孔徑的分子通過，能達到理想的吸附選擇性。但是，當混合物中存在多種尺寸各異的成分，而且提純目標不是尺寸最小的成分時，分子篩的效果就會大打折扣。例如，苯乙烯的尺寸介於乙苯和苯/甲苯之間，用分子篩無法通過一次吸附獲得高純苯乙烯。

傳統分子篩效應和中間尺寸分子篩效應對比

張杰鵬教授研究團隊長期致力於配位聚合物多孔材料的設計、功能和機理研究，已發展了「動力學控制的柔性」（J.Am.Chem. Soc.2008, 130,6010;Natl. Sci. Rev.2018,5,907）、「親水孔道捕獲疏水分子」（Nat. Commun.2015,6,8697）、「控制客體分子構型調控吸附選擇性」（Science 2017,356,1193）等多種吸附分離理論/概念。

最近，他們又提出了一種新的吸附分離原理，稱為中間尺寸分子篩（intermediate-sized molecular sieve，iSMS），能在複雜混合物只吸附中間尺寸的目標成分，解決類似苯乙烯分離提純等重大需求。為實現這種特殊的吸附行為，多孔材料必須具有合適的柔性，從而結合熱力學原理（太小的分子吸附能不足以打開柔性框架）和動力學原理（太大的分子尺寸超過打開的孔窗）排除非目標成分。

他們設計合成了一例具有限制柔性的配位聚合物多孔材料MAF-41，實現了在乙苯、苯乙烯、甲苯和苯混合物中超高效純化苯乙烯（選擇性3300）的目標，只需一次吸附脫附循環，即可獲得純度99.9%+的苯乙烯。MAF-41還具有超高熱穩定性（500 oC）、水穩定性（沸水，pH 3 14）以及超疏水特性，有利於實際應用。

該研究工作得到了陳小明院士的大力支持，以及國家自然科學基金、廣東省珠江人才計劃「本土創新團隊」和廣東省重點區域研發計劃項目的資助。

來源 | 中山大學新聞網 編輯 | 化學加