乙炔(MOFs)(C
2H
2)是一种重要的工业气体,广泛应用于合成精细化学品和电子材料,主要来源于石油裂解,通常含有杂质气体二氧化碳(CO
2)。去除CO
2杂质对于生产高纯度C
2H
2,生产高附加值化学品至关重要。CO
2和C
2H
2都是非极性线性分子,具相似的物理性质,目前二者的分离主要依赖于高能耗、高成本的有机溶剂萃取或低温蒸馏技术。
金属有机框架(MOF)具有高孔隙率、高比表面积、结构可调等特点,可作为多孔固体吸附材料,在CO
2/ C
2H
2分离方面拥有巨大的应用潜力。使用分子调节剂对MOF材料进行改性是提高气体吸附和分离的有效策略之一,该策略的挑战在于如何提高选择性的同时保持母体框架的孔隙率。
2023年,
湖南大学方煜教授提出了一种“Cage on MOF”策略,将多孔配位笼(PCCs)引入MOF纳米颗粒的外表面,制备的MOF@PCC复合材料不仅保持了其固有的孔隙率,吸附性能也有所提高
[1]。近期,方煜教授通过液体辅助的机械研磨法,将七种孔径尺寸不同的MOFs与四种不同的PCCs结合,制备出28种MOF@PCCs复合材料,并系统地研究了它们对C
2H
2的吸附能力和二元气体(CO
2/ C
2H
2)的分离性能
[2]。研究结果表明,所制备的复合材料MOF@PCCs的气体吸附和分离性能与PCC和MOF的孔径大小匹配度呈正相关;MIL-101@PCC-4对C
2H
2的吸附量高达6.11mmol/g;对比MOF-808,MOF-808@PCC-4对C
2H
2的吸附量提高了64%,对CO
2/C
2H
2(V:V=50:50)的IAST选择性提高了166%。 此外,该复合材料制备简单,易于实现大规模合成(图1),为功能化多孔材料的高通量筛选提供了新途径。
图1 球磨工艺合成MOF-808@PCCs
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湖南大学方煜教授课题组开发的一系列
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- 形貌规整,尺寸均一,批次质量稳定;
- 使用前需在120℃下活化12 h。
方煜,现任湖南大学化学化工学院教授,2010年在上海交通大学化学专业获硕士学位。2014年3月博士毕业于日本东京大学。2014-2015年期间继续在日本东京大学从事博士后研究。2015年4月到2019年9月,在美国德克萨斯A&M大学从事博士后研究。在研究生学习阶段和博士后工作期间,主要致力于“分级孔配位材料”(孔道尺寸为2-50纳米)的研究,围绕构建新型多孔配位笼(PCC)和介孔金属有机框架(mMOF),调节其孔道结构,控制客体分子在孔道内的负载与组装,在提升能源气体的转化与负载,以及抗癌纳米疗法方面取得进展。
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参考文献
- Liang Y, Yang X, Wang X, et al. A cage-on-MOF strategy to coordinatively functionalize mesoporous MOFs for manipulating selectivity in adsorption and catalysis[J]. Nature Communications, 2023, 14(1): 5223.
- Liang Y, Xie G, Liu K K, et al. Mechanochemical" Cage-on-MOF” Strategy for Enhancing Gas Adsorption and Separation through Aperture Matching[J]. Angewandte Chemie International Edition, e202416884.
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