【Chem】調(diào)控金屬有機(jī)框架的孔隙化學(xué)用于苯的高效吸附和苯/環(huán)己烷分離
發(fā)布日期：2023-09-27 來源：貝士德儀器
全文概述
苯是一種具有高毒性的空氣污染物,，也是合成環(huán)己烷的重要化學(xué)原料,。由于苯和環(huán)己烷的沸點(diǎn)僅相差0.6℃ ，因此兩者分離極具挑戰(zhàn)性,。本文報(bào)道了通過調(diào)控兩種金屬有機(jī)框架UiO-66和MFM-300的孔隙化學(xué)調(diào)控,，實(shí)現(xiàn)了在低壓下對(duì)苯的高效吸附和苯/環(huán)己烷的分離。其中,，UiO-66-CuII在298 K,，1.2 mbar條件下對(duì)苯的吸附達(dá)到3.92 mmol/g, MFM-300(Sc)對(duì)苯/環(huán)己烷混合物(v/v = 1/1)的分離選擇性高達(dá)166。原位同步x射線衍射和中子粉末衍射以及多種光譜技術(shù)揭示了苯和環(huán)己烷在這些材料中的結(jié)合機(jī)理,。通過多種晶體學(xué)和波譜技術(shù)揭示了主客體結(jié)合機(jī)制,，表明調(diào)控孔環(huán)境為苯的高效吸附和苯/環(huán)己烷混合物的分離提供了有效途徑。
背景介紹
揮發(fā)性有機(jī)物（Volatile Organic Compounds,，VOCs）是指由人類活動(dòng)引起的排放量不斷增加的室內(nèi)空氣污染物,。苯是毒性最大的VOCs之一，被世界衛(wèi)生組織列為人類Ⅰ類致癌物,。然而苯也是加氫合成環(huán)己烷的重要原料,，必須脫除未反應(yīng)的苯,，提純環(huán)己烷生產(chǎn)尼龍。苯和環(huán)己烷具有幾乎相同的沸點(diǎn)和分子尺寸,，目前最先進(jìn)的分離方法是基于共沸和萃取精餾,，但是能耗較高。而吸附技術(shù)溫和,、低成本的操作條件以及吸附劑材料可再生和重復(fù)使用的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),，在苯的捕獲和苯/環(huán)己烷的分離方面引起了越來越多的關(guān)注。迄今為止,，優(yōu)化MOFs的孔隙化學(xué)以實(shí)現(xiàn)在低壓（p<1.2mbar）或環(huán)己烷存在下對(duì)苯的高效吸附仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn),，并且直接觀察主客體相互作用只在特殊情況下實(shí)現(xiàn)，阻礙了新型高效吸附材料的設(shè)計(jì),。
本文由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的楊四海和Martin Schr?der教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道,，該團(tuán)隊(duì)主要研究領(lǐng)域是通過同步加速器X射線衍射，光譜學(xué)和中子散射結(jié)合建模,，使用最先進(jìn)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究來研究支撐其材料特性的主客體化學(xué)過程,，研究涉及材料的設(shè)計(jì),，合成和表征,，以了解其材料在分子水平上的功能。
合成和穩(wěn)定性測(cè)試
合成了7種同構(gòu)的MOFs材料MFM-300 (M) (M =Sc , VIII , Cr , Fe , Al , Ga , In)和4個(gè)UiO-66材料（UiO-66,、UiO-66-defect,、UiO-66-CuII和UiO-66-CuI），他們具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)和合適的孔徑（6.5~8.1?）,，與苯(5.85?)的動(dòng)力學(xué)直徑相近,。MFM-300 (M) (M=Sc , VIII , Cr , Fe , Al , Ga , In)由一維（1D）正方形孔道（8.1、6.7,、7.7,、6.8、6.5,、6.7,、7.4?）組成，孔道中橋連的羥基指向孔道內(nèi),。與無缺陷的UiO-66相比,，由于每個(gè){Zr6}團(tuán)簇上大約缺少一個(gè)配體，因此UiO-66-defect在{Zr6}團(tuán)簇上含有-OH/-OH2位點(diǎn),。通過將CuII和CuI離子共價(jià)連接到缺陷位點(diǎn),，得到UiO-66-CuII和UiO-66-CuI。通過粉末X射線衍射（PXRD）和熱重分析（TGA）證實(shí)了這些MOFs的相純度和對(duì)空氣和水的穩(wěn)定性(圖 SI),。X射線光譜分析證實(shí)Cu（I）和Cu（II）位點(diǎn)的存在,。
苯和環(huán)己烷的吸附行為
在298~323 K,，P/P0≤0.9時(shí)，研究這些多孔材料對(duì)苯和環(huán)己烷的單組分吸附等溫線（圖1A-1F）,。在P/P0為0.02時(shí),，苯在低壓下的吸附量急劇增加，達(dá)到飽和,，表明這些MOFs材料具有捕獲痕量苯的潛力(圖1B和圖1E),。在7種MFM-300材料中，孔徑最大(8.1?)的MFM-300(Sc)材料的吸附量最高,，為3.02 mmol/g(圖1H ),。
UiO-66-defect（2.55 mmol/g）比UiO-66（1.78 mmol/g）表現(xiàn)出更高的苯吸附量。而與UiO-66和UiO-66-defect相比,，UiO-66-CuII對(duì)苯的吸附量提高了220%和154%,，達(dá)到了3.92 mmol/g。該吸附量?jī)H低于同等條件下的基準(zhǔn)MOFs材料BUT-54(4.31 mmol/g),。說明Cu(II)位點(diǎn)的引入顯著增強(qiáng)了UiO-66-CuII對(duì)苯的吸附,，為提高M(jìn)OFs在低壓下對(duì)苯的吸附開辟了一條新途徑。相反,，對(duì)于UiO-66-CuI,，由于Cu（I）位點(diǎn)的Lewis酸性較弱，導(dǎo)致其對(duì)苯(2.74 mmol/g)的吸附量較低,。11個(gè)MOFs對(duì)環(huán)己烷（在298 K和1.3 mbar條件下,1.27~2.46 mmol/g）的吸附量均低于苯,，表明環(huán)己烷在這些MOFs中的結(jié)合作用較弱。
苯/環(huán)己烷液相分離研究
在298 K下,，將活化后的材料浸泡在苯和環(huán)己烷的混合液中24 h,，實(shí)現(xiàn)了苯/環(huán)己烷（v/v=1/1）的分離。利用1H NMR譜測(cè)量了兩種混合物的吸附選擇性(圖2B),。七種材料都顯示出對(duì)苯的選擇性吸附,，其中，MFM-300(Sc)代表了苯/環(huán)己烷的新基準(zhǔn),，選擇性高達(dá)166,，超過了MAF-stu-13 (138)。UiO-66-CuII（31）和UiO-66-CuI（24）均表現(xiàn)出明顯高于UiO-66（3）的選擇性,，表明Cu(II) 和Cu(I) 位點(diǎn)在這些條件下可以增強(qiáng)苯/環(huán)己烷的分離,。為了評(píng)估這些材料在水存在下分離苯和環(huán)己烷的能力和穩(wěn)定性，我們對(duì)MFM-300 (M) (M = Sc , Cr , In,；v/v/v =1/1/0.1) 對(duì)MFM-300(M) （M = Sc , Cr , In),，UiO-66-defect和UiO-66-CuII（圖2E、2F）進(jìn)行了苯/環(huán)己烷的循環(huán)分離。證實(shí)了它們的耐水性,、高穩(wěn)定性和循環(huán)分離的優(yōu)異可再生性,。其中，MFM300(Sc)和UiO-66-CuII即使在苯濃度較低(苯/環(huán)己烷v/v=1/20)的情況下也能分離苯/環(huán)己烷,，其選擇性分別高達(dá)677和362,。
結(jié)合位點(diǎn)計(jì)算
通過Rietveld精修負(fù)載客體分子的框架揭示了這些材料孔道中客體分子的結(jié)合位點(diǎn)。七種MFM-300系列材料在通道內(nèi)的都發(fā)現(xiàn)了苯的單一結(jié)合位點(diǎn)（圖3A和3E）,。在MFM-300（Sc）中,，苯分子通過T形構(gòu)型中的多個(gè)C-H相互作用與相鄰的兩個(gè)苯環(huán)發(fā)生較強(qiáng)的相互作用，而環(huán)己烷在MFM-300（Sc）中的結(jié)合較弱,。在UiO-66體系中發(fā)現(xiàn)了吸附苯分子的兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)：I位點(diǎn)和II位點(diǎn)分別位于四面體和八面體腔中,。位點(diǎn)I由配體芳香環(huán)和橋接羥基錨定，與位點(diǎn)II相比顯示出更強(qiáng)的主客體相互作用,。UiO-66-CuII中的Cu（II）位點(diǎn)增強(qiáng)了與苯的相互作用,，從而在低壓下實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的吸附量。
總結(jié)與展望
本文報(bào)道了一系列穩(wěn)定的MOF材料對(duì)苯的吸附和苯/環(huán)己烷的分離的綜合研究,。通過對(duì)孔隙化學(xué)的調(diào)控,，實(shí)現(xiàn)了在低壓下對(duì)苯的高選擇性吸附，具有優(yōu)異的可再生性和穩(wěn)定性,。實(shí)驗(yàn)表明,，在MFM - 300系列中，MFM-300 (Sc)表現(xiàn)出最高的苯/環(huán)己烷分離選擇性,，這是由于苯分子與孔道表面芳香環(huán)之間存在較強(qiáng)的相互作用,。相反，在UiO-66體系中,，單原子Cu（II）中心增強(qiáng)了苯在孔道內(nèi)的吸附，因此,，具有Cu（II）位點(diǎn)的UiO-66-CuII對(duì)苯的捕獲表現(xiàn)出優(yōu)異的吸附性能,。本研究將為今后多孔材料用于痕量VOC污染物的捕獲和有機(jī)價(jià)值的分離提供參考。
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.02.002
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貝士德 吸附表征 全系列測(cè)試方案
1,、填寫《在線送樣單》
2,、測(cè)樣、送檢咨詢：楊老師13810512843（同微信）
3,、采購(gòu)儀器后,，測(cè)試費(fèi)可以抵消部分儀器款
