基于纳米陷阱的高效乙炔吸附材料

分离过程的能耗在化工生产能耗中占有很大比例。而气体分离作为化工生产过程非常重要的部分，其能耗的降低对整个化工生产的节能减排都具有重要意义。基于多孔材料的吸附分离技术可以有效减小混合气体分离过程中的能源消耗。近些年来，具有不饱和金属位点的多孔吸附材料在多种混合气体的分离方面显示出了优异的性能。但是，目前的已报道的不饱和金属位点吸附材料在分离具有类似物理性质的混合气体，例如C₂H₂/CO₂混合气体方面仍面临巨大挑战。

近年来，基于多重吸附位点的多孔材料在混合气体分离方面表现出了优异的性能。相对于单吸附位点材料来说，具有协同作用的多重吸附位点可以形成类似于纳米陷阱的结构，从而对目标气体分子产生更强的吸附作用（图1）。由于单不饱和金属位点对乙炔具有更强的吸附能力，所以多不饱和金属位点协同作用可能产生非常强的乙炔吸附作用。但目前对于不饱和金属吸附位点协同作用的研究还非常少。基于以上考虑，北德克萨斯大学的马胜前教授（点击查看介绍）和苏州大学的牛政教授（点击查看介绍）等人合成了一种基于多重不饱和金属位点的新型乙炔纳米陷阱，并利用这种MOFs材料实现了对乙炔分子的有效捕获以及C₂H₂/CO₂混合气体的高效分离。

图1. 多重吸附位点对乙炔吸附能力的增强

在这个工作中，由于双重不饱和金属位点的作用，这种材料显示出了对乙炔分子超强的吸附作用，其Q_st达到了创纪录的79.1 kJ mol^-1。此外，这种材料在0.02 bar的极低压力下对乙炔气体的吸附量就可以达到2.54 mmol g^-1，是在目前这个压力下乙炔吸附量最大的材料。得益于纳米陷阱对乙炔的强吸附作用，这种材料对C₂H₂/CO₂混合气体的选择性达到了53.6，是目前最好的C₂H₂/CO₂混合气体分离材料. 此外，为了研究乙炔的吸附位点和吸附机理，作者们利用X-射线单晶衍射仪测试了不同压力下负载乙炔分子的ATC-Cu的晶体，得到了吸附乙炔分子的ATC-Cu晶体的单晶结构。通过对单晶结构进行分析，作者们确定了乙炔分子在极低的压力下就可以被处于两个不饱和Cu位点之间的纳米陷阱所捕获。

图2. ATC-Cu和其他高性能乙炔吸附材料的（a）室温吸附曲线；（b）Q_st随吸附量变化曲线；（c）Q_st及低压（1 kPa）吸附量对比; （e）C₂H₂/CO₂选择性；（d）通过X-射线单晶衍射得到的乙炔分子低压下（1 kPa乙炔气氛中）在ATC-Cu中的位置；（f）C₂H₂/CO₂的穿透实验曲线。

这项研究不仅得到了一种高性能的乙炔吸附材料，同时也提供了一种利用协同效应构建高性能吸附分离材料的方法。相关研究成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上。

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A MOF-based Ultra-Strong Acetylene Nano-trap for Highly Efficient C₂H₂/CO₂ Separation

Zheng Niu*, Xili Cui, Tony Pham, Gaurav Verma, Pui Ching Lan, Chuan Shan, Huabin Xing, Katherine A. Forrest, Shanelle Suepaul, Brian Space, Ayman Nafady, Abdullah M. Al-Enizi, Shengqian Ma*

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202016225

导师介绍

牛政，苏州大学材料与化学化工学部教授。2008年于天津大学获得理学学士学位；2014年毕业于南开大学化学学院获得无机化学博士学位，导师为程鹏教授。2015年至2019年在美国南佛罗里达大学化学学院从事博士后研究，合作导师为马胜前教授。2019年加入苏州大学材料与化学化工学部担任特聘教授、博士生导师。2020年受聘江苏特聘教授。主要从事基于MOF类晶体多孔材料的孔道化学的研究，包括多孔frustrated Lewis pair异相催化剂的合成及性质研究、气体分子的捕获及分离提纯以及孔道限域合成反应的研究。近年来在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.以及Chem等杂志上发表论文50余篇。

https://www.x-mol.com/university/faculty/235956

马胜前，北德克萨斯大学Welch Foundation终身讲席教授。2003年本科毕业于吉林大学，2008年获美国迈阿密大学博士学位，2008年至2010年在美国阿尔贡国家实验室从事博士后工作，2010-2020年任职南佛罗里达大学化学系并被评为终身教授。2020年加入北德克萨斯大学任 “Welch Foundation” 首席化学家。马胜前教授课题组多年来从事开发功能性多孔材料，包括金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）、多孔有机聚合物（POPs）以及微孔碳材料用于能源、生物和环境相关的应用。马胜前教授2014-2020年连续七年被汤森路透/科睿唯安（Thomson Reuters/Clarivate）评为高被引学者；H因子81，文章被引用24000余次。马胜前教授迄今在Nature、 Nature Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、 Chem、Adv. Mater.、ACS Cent. Sci.、Acc. Chem. Res.、Chem. Soc. Rev. 等学术期刊上发表文章230余篇。曾获得美国化学会无机化学分会青年化学家奖、国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）青年化学家奖、美国科学基金会CAREER Award以及南佛罗里达大学杰出研究成就奖、杰出教授奖。

https://www.x-mol.com/university/faculty/38296