深职院霍夫曼研究院Angew：柔性MOF材料筛分烷烃异构体

烷烃（主要是C5-C7）同分异构体的分离是石油化工领域的重要过程，对优化乙烯原料和重整原料、提供高辛烷值汽油调和油具有重要意义。一方面，烷烃的辛烷值随着分子支链程度的增加而增加。为了获得具有较高辛烷值的双支链烷烃，需要将辛烷值较低的直链和单支链烷烃从混合物中去除。另一方面，直链和单支链烷烃是优质的乙烯原料，而双支链烷烃作为乙烯原料会导致产率较低。为了得到优质的汽油调和组分和优化乙烯原料，需要将直链/单支链烷烃和双支链异构体分开。工业上，烷烃异构体的分离目前以热驱动的精馏工艺为主，能耗较高。基于5A分子筛的吸附分离技术已实现工业应用，但受限于材料自身分离性能，该技术目前未能大规模推广。

金属有机骨架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）材料由于其结构多样、孔径可调以及独特的柔性框架等特点，在包括烷烃异构体分离在内的碳氢化合物分离领域有较好应用前景。近日，深职院霍夫曼先进材料研究院（诺贝尔奖科学家实验室）王浩博士与美国罗格斯大学李静教授团队报道了一种柔性MOF材料，该材料可通过程序控温实现不同支链烷烃异构体的完全筛分，相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.。

图1. HIAM-203晶体结构

该团队近年来在利用MOF材料分离烷烃异构体研究领域取得系列进展（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202211359; J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 3766-3770; J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 15, 6925; Nat. Commun. 2018, 9:1745; Energy Environ. Sci. 2018, 11, 1226; Chem. Eur. J. 2021, 27, 11795; ACS Appl. Mater. Inter. 2021, 13, 51997; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 10593; Sep. Purif. Technol. 2022, 294, 121219; Acc. Chem. Res. 2019, 52, 1968-1978.），开发了一系列可筛分直链/支链或单支链/双支链烷烃异构体的MOF材料。在该工作中，研究团队报道了一种基于钙离子和氯冉酸的MOF材料（HIAM-203）。该材料原料易得、结构简单，其三维网状结构包含了尺寸约5 Å的一维孔道。粉末衍射和小分子气体吸附研究显示HIAM-203晶体结构具有明显的柔性，在吸附和脱附过程中可实现结构的可逆转变。

图2. 氮气吸附及己烷异构体单组分吸附曲线

由于结构上的柔性，HIAM-203对己烷异构体显示出依赖于温度和吸附质的吸附行为，与其他很多已报道的柔性MOF材料类似。单组分吸附结果显示，HIAM-203在30 °C时吸附正己烷和3-甲基戊烷，但完全不吸附2，2-二甲基丁烷；而在较高温度如150 °C时，其只吸附正己烷，既不吸附2，2-二甲基丁烷，也不吸附3-甲基戊烷。基于此，研究人员推测，该材料在30 °C时可实现单/双支链烷烃的筛分，而在150 °C时可实现直链/支链烷烃的筛分。

为了验证该材料对己烷异构体混合蒸汽的分离效果，研究人员分别测试了该材料在30 °C和150 °C的三组分（正己烷、3-甲基戊烷、2，2-二甲基丁烷）穿透曲线。结果显示，在30 °C时，2，2-二甲基丁烷最先穿出，正己烷和3-甲基戊烷则在吸附柱中保留了很长时间；而在150 °C时，2，2-二甲基丁烷和3-甲基戊烷均在实验伊始即穿出，正己烷则最后穿出。以上多组分穿透结果与单组分实验结果相吻合，证实了HIAM-203具有较好的己烷异构体分离能力，且在不同温度可实现不同的分离效果。为了进一步验证材料的分离能力，研究人员设计了双柱分离系统，让三组分蒸汽先通过150 °C吸附柱，再通过30 °C吸附柱。最终实验结果显示，三组分被完全分开，实现了程序控温的烷烃异构体筛分效果。

图3. 三组分穿透实验，左图：30 °C，右图：150 °C。

图4. 双柱分离系统及穿透曲线。

综上，在这项工作中作者开发了一种具有柔性结构的新MOF，且通过利用其结构柔性实现了程序控温下的烷烃异构体高效分离。该工作为利用柔性MOF材料实现多组分分离提供了新思路。

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）：

Temperature-Programmed Separation of Hexane Isomers by Porous Calcium Chloranilate Metal-Organic Framework

Yuhan Lin, Liang Yu, Saif Ullah, Xingyu Li, Hao Wang*, Qibin Xia, Timo Thonhauser, Jing Li*

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202214060

王浩博士简介

王浩，本科毕业于武汉大学，2018年在美国罗格斯大学化学与化学生物学系李静教授课题组获博士学位，2018年6月起就职于深职院霍夫曼先进材料研究院。绿色节能材料广东省普通高校重点实验室负责人，中国科协“青年人才托举工程”入选者（2021），国家优秀自费留学生奖获得者（2018），深圳市高层次“孔雀计划”B类人才（2018），获深圳市首批优秀青年科学基金项目资助（2021），荣获“深圳青年五四奖章”（2022）。发表学术论文80余篇，其中第一/通讯作者论文40余篇，包括Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater.等国际顶尖期刊，主持国家自然科学基金等科研项目7项，目前担任SCI期刊Frontiers in Materials (IF= 4.0)副主编。主要研究方向为多孔材料的设计、合成及其在绿色节能环保领域（气体分离等）的应用。

课题组主页

https://hiam.szpt.edu.cn//info/1163/1024.htm 

李静教授简介

李静，美国罗格斯大学（Rutgers University）杰出教授。曾获美国总统教授奖，美国能源部首届清洁能源创新贡献奖，洪堡研究奖。现为美国科学促进会（AAAS）院士，欧洲科学院 （EurASc) 院士，以及英国皇家化学学会（RSC）会士。目前担任材料化学A杂志和EnergyChem等多个国际学术刊物的编委。在国际核心期刊上发表学术论文410+篇(包括特邀综述专题文章37篇)。李静教授的主要研究方向为功能材料的开发研究以及它们在清洁和可再生能源上的应用，包括无机-有机杂化半导体材料和金属有机框架化合物。

个人主页

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