理想的笼状孔腔筛分丁烷异构体

正丁烷和异丁烷都是重要的石油化工原料，但是二者在生产过程中往往同时存在，因此需要额外的分离技术实现它们的有效分离。吸附分离技术作为新型的分离方式备受关注，但是开发具有高正丁烷吸附量并且可以实现正丁烷与异丁烷分子筛分的材料依然十分具有挑战性。近日，中国科学院福建物质结构研究所吴明燕研究员（点击查看介绍）团队利用笼状孔策略报道了一例具有小的筛分窗口和大的容纳空腔的金属有机框架（MOF）材料，实现了对丁烷异构体的分子筛分，并且实现高纯度和创纪录产率的丁烷异构体分离。

图1. 具有理想的正/异丁烷筛分的笼状MOF的设计策略

理想的正丁烷/异丁烷的分离材料应该具有小窗口可以选择性地吸附小的正丁烷分子并且排除大的异丁烷分子（实现高选择性），同时也要具有大的空腔可以容纳多的正丁烷分子（实现高吸附量）。设计具有合适窗口和大的空腔体积的笼状MOF是解决高效分离正丁烷/异丁烷的有效途径。该课题组基于此思路，报道了一例笼状MOF（SIFSIX-Cu-TPA），其窗口大小介于正丁烷与异丁烷分子直径之间，并且其孔隙率高达50.5%。吸附实验表明SIFSIX-Cu-TPA可以实现对异丁烷的完全排斥，并且对298 K和100 kPa时对正丁烷的吸附量为创纪录的94.3 cm³/g，远高于已经报道的其它筛分型MOF材料。

图2. 四类笼状MOF对丁烷异构体的吸附行为。(a) 同时具有低的正丁烷和异丁烷吸附量；(b) 同时具有高的正丁烷和异丁烷吸附量；(c) 几乎不吸附异丁烷但对正丁烷的吸附量较低；(d) 几乎不吸附异丁烷同时对正丁烷有高的吸附量。

分离实验表明，高纯度的异丁烷（>99.95%）可以在穿透过程中直接获得。经过一次分离实验可得到3.2 mol kg^-1 的异丁烷，这在丁烷分离材料中是最高值。由于它良好的稳定性，SIFSIX-Cu-TPA 在多次循环之后分离能力没有明显下降。并且在不同流速、不同温度以及高湿度条件下，SIFSIX-Cu-TPA依然可以表现出非常出色的正丁烷/异丁烷分离效果，这在以往报道的丁烷分离材料中是非常少见的。此外，高纯度的正丁烷可以在脱附实验中直接得到。经过一次脱附实验，可以收集到3.0 mol kg^-1纯度大于99%的正丁烷。相较于其它对丁烷筛分型的笼状MOF材料，SIFSIX-Cu-TPA可以在一次解吸中可以得到最高产率的正丁烷。基于以上出色的丁烷分离表现，SIFSIX-Cu-TPA可以视作一个良好的丁烷分离材料。

图3. SIFSIX-Cu-TPA对丁烷异构体具有出色的分离效果。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是博士研究生纪震宇，通讯作者是福建物质结构研究所吴明燕研究员。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Ideal Cage-like Pores for Molecular Sieving of Butane Isomers with High Purity and Record Productivity

Zhenyu Ji, Yunzhe Zhou, Cheng Chen, Daqiang Yuan, Mingyan Wu* and Maochun Hong

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202319674

导师介绍

吴明燕

https://www.x-mol.com/university/faculty/202294