浙江工业大学温慧敏团队Angew：构筑负电静态孔环境低能耗高效一步分离乙烯

近日，浙江工业大学化学工程学院温慧敏团队提出了一种在MOF材料中引入电负性原子构建负静电孔环境以提升从C₂H₂/C₂H₆/C₂H₄三元混合物中高效一步纯化C₂H₄的新策略。相关研究成果近日发表于国际一流学术期刊《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）。温慧敏副教授为第一作者，浙江工业大学胡军教授、福建师范大学陈邦林教授、美国国家标准技术研究院周伟研究员为通讯作者。

乙烯（C₂H₄）是石油化工产业中生产聚乙烯等多种化工产品的重要原料，其生产过程中伴随微量乙炔（C₂H₂）和少量乙烷（C₂H₆）杂质，需要进一步分离纯化以得到工业应用的聚合物乙烯（99.95%）。传统的深冷精馏过程操作繁琐且能耗高，工业上分离纯化烯烃气体的能耗占世界总能耗0.3%，是世界七大分离之一。以多孔吸附剂为核心的吸附分离技术因其高效节能成为了极富潜力的烯烃分离纯化方法。

近年来，多孔金属-有机框架材料（MOFs）在C₂H₂/C₂H₄和C₂H₆/C₂H₄分离领域取得了显著的进展，但因为目标产物是C₂H₄分子，优先吸附C₂H₄的MOF材料后续还需多次吸/脱附操作，能耗高且过程繁琐。相比之下，能够同时从C₂H₂/C₂H₆/C₂H₄三元混合物中同时分离除去C₂H₂和C₂H₆的材料更为理想。然而C₂H₄的理化性质位于C₂H₂和C₂H₆之间，因此从C₂三组分一步分离乙烯虽然高效节能但难以实现。研究发现MOF-303不仅表现出迄今最高的C₂H₂和C₂H₆吸附量，而且在环境条件下也表现出优异的C₂H₂/C₂H₄和C₂H₆/C₂H₄分离选择性（2.4和1.7），性能优于迄今为止报道的大多数基准材料。

图1. 构建负静电孔环境的金属-有机框架MOF-303

此外，该材料具有出色的水稳定性，在沸水和酸碱环境下均能保持结构和性能稳定。更重要的是，该材料的合成原料廉价易得，且合成过程在水溶液中进行，合成条件温和，环保绿色且易规模制备，实现了公斤级大规模制备，具备极好的工业应用前景。

图2. MOF-303对C₂气体吸附量和选择性数据图

结合原位红外光谱的理论计算表明，孔道上的多个N/O位点可以建立负静电孔环境，从而比C₂H₄与C₂H₂和C₂H₆提供更强的相互作用。突破性实验证实了其对三元混合物的卓越分离性能，提供了1.35 mmol g^-1的最高C₂H₄生产率之一。这种材料是高度稳定的，并且可以使用水基绿色合成法从廉价的原材料很容易地公斤级合成。在可扩展MOF-303中，优异的分离性能与高稳定性和低成本结合释放了其在这一具有挑战性的工业分离中的巨大潜力。突破性实验证实了其对三元混合物的卓越分离性能，提供了1.35 mmol g^-1的最高C₂H₄生产率之一。这种材料是高度稳定的，并且可以使用水基绿色合成法从廉价的原材料很容易地公斤级合成。在可扩展MOF-303中，优异的分离性能与高稳定性和低成本结合释放了其在这一具有挑战性的工业分离中的巨大潜力。

图3. MOF-303穿透实验结果和综合能力对比图

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Construction of Negative Electrostatic Pore Environments in a Scalable, Stable and Low-Cost Metal-organic Framework for One-Step Ethylene Purification from Ternary Mixtures

Hui-Min Wen, Chenyi Yu, Miaoyu Liu, Chenyan Lin, Beiyu Zhao, Hui Wu, Wei Zhou, Banglin Chen, Jun Hu

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202309108, DOI: 10.1002/anie.202309108