Angew. Chem. :超微孔氢键有机框架首次实现CO2/C2H2反向筛分

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乙炔与二氧化碳的分子尺寸(乙炔: 3.3 × 3.3 × 5.7 Å3; 二氧化碳:3.2 × 3.3 × 5.4 Å3)及沸点(乙炔:189.2 K;二氧化碳:194.7 K)极其相近,使得二者的分离过程充满挑战。相比精馏和溶剂萃取等工艺,物理吸附分离技术具有能耗低、操作简单等优点,是极具潜力的下一代分离纯化技术。与优先吸附乙炔的材料相比,优先吸附二氧化碳的材料在能源效率上具有优势,因为可以在不需要再生的情况下轻松地从分离柱中一步分离,得到高纯度乙炔。然而,传统的多孔材料往往更易与相对酸性和可极化的乙炔分子相互作用,从而优先吸附乙炔。迄今为止,仅有少数材料展现出对二氧化碳的优先选择性,进而实现了这种反向CO2/C2H2分离。值得一提的是,HOFs可以通过简单的重结晶进行再生,为其在实际应用中提供了巨大的前景,例如,HOF-FJU-1在乙烯/乙烷和丙烯/丙烷的分离上展现出卓越性能。然而,专门用于反向CO2/C2H2分离的氢键有机框架仍尚未被报道。



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近日,福建师范大学的张章静课题组报道了一个由简单的有机小分子2,4,6-三(1H-吡唑-4-基)吡啶构建的新型超微孔二维氢键有机框架(HOFs),命名为HOF-FJU-88。首次在HOFs中实现了二氧化碳/乙炔的反向筛分。

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HOF-FJU-88展现出对二氧化碳的高选择性,能在环境条件下吸附高达59.6 cm3/g的二氧化碳,但对乙炔的吸附只有6.28 cm3/g。在296 K及1 bar下,其IAST选择性高达1894,这超越了许多现有的MOFs材料。动态穿透实验证明了HOF-FJU-88的实际分离性能,可以一步得到纯度为99.99 %的乙炔。乙炔动态生产率可以达到1984 mmol/kg,并且在低浓度高流速条件下及各种湿度条件下都依然保持优异的分离性能。DFT计算和原位红外漫反射光谱揭示,HOF-FJU-88层内的氢原子能够通过C-H···O氢键将二氧化碳分子牢牢固定在二维层内,从而实现二氧化碳与乙炔的高效筛分。这一突破性研究展现了简单的有机分子的强大潜力,它们可以自组装成HOFs材料,从而满足挑战性的气体分离需求。

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文信息

A Microporous Hydrogen Bonded Organic Framework for Highly Selective Separation of Carbon Dioxide over Acetylene

Yunbin Li, Xue Wang, Dr. Hao Zhang, Lei He, Jiali Huang, Wuji Wei, Zhen Yuan, Zhile Xiong, Huadan Chen, Prof. Shengchang Xiang, Prof. Banglin Chen, Prof. Zhangjing Zhang


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202311419




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