乙炔（C₂H₂）是化学工业中重要的原料之一，广泛用于生产丙烯酸衍生物、乙烯基化合物和1, 4-丁炔二醇等多种化学品，同时它也是一种很好的燃料。C₂H₂通常是由甲烷的部分燃烧或者从碳氢化合物的催化裂解中获得，然而生产过程中会不可避免的有二氧化碳（CO₂）杂质的引入。鉴于C₂H₂和CO₂具有非常相似的分子大小和极性，且C₂H₂具有气体压力超过2 bar极易发生爆炸的特性，采用通过区分分子大小或传统低温蒸馏的方法来分离C₂H₂和CO₂非常具有挑战性。因此，在温和条件下开发出一种高效分离C₂H₂和CO₂的方法意义重大。

近日，中山大学林锐标教授、陈小明教授和福建师范大学陈邦林教授、美国国家标准与技术研究所（NIST）中子研究中心周伟博士等合作研究了两种同构的吡啶羧酸铜框架（化合物代号Cu(Qc)₂和Cu(ina)₂）对C₂H₂和CO₂的选择性吸附行为。这两种材料具有一维孔道和极性较弱的芳香环孔表面，已被证明能够实现碳氢化合物高效分离（JACS. 2018, 140 12940; Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55 10268）。Cu(Qc)₂具有相对紧凑的孔隙空间（孔尺寸~3.3 Å），而Cu(ina)₂孔隙空间较大（孔尺寸~4.1 Å）。紧凑的孔隙空间适用于研究限域空间中吸附剂的调控、修饰与吸附质相互作用的影响。气体吸附实验表明，在环境条件下孔径较大的Cu(ina)₂表现出C₂H₂选择性（等摩尔C₂H₂/CO₂选择性为3.4），相反孔径较小的Cu(Qc)₂则表现出二氧化碳选择性（等摩尔CO₂/C₂H₂选择性为5.6）。

中子衍射测试表明，在Cu(Qc)₂中CO₂分子是侧面取向，其长轴与孔道方向平行。CO₂分子与相邻的芳香环通过π^δ-…C^δ+（3.15(3)-3.84(2) Å）相互作用，其中相互作用比两个碳原子的范德华半径之和（3.40 Å）略短，表明存在一定的静电作用。相比之下，C₂D₂分子与喹啉环的结合方向则很大程度的偏离了其垂直于芳香环平面的理想正面结合构型。因此Cu(Qc)₂可以很好地容纳具有最佳取向的CO₂分子，但与C₂H₂分子不相容，从而实现CO₂的优先吸附。同构的Cu(Qc)₂和Cu(ina)₂中理论模拟对比研究也证实了乙炔结合构型的差别导致了两者吸附乙炔能力的差别。动态固定床穿透实验进一步表明了Cu(Qc)₂对CO₂/C₂H₂的实际分离性能，实现了高纯度乙炔（>99.9%）的一步直接分离。该研究为重要吸附分离过程中MOF的开发设计提供依据。