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天津工業(yè)大學(xué)仲崇立/黃宏亮團隊：梯度調(diào)節(jié)籠狀MOF孔徑實現(xiàn)潮濕環(huán)境下的高效C4烷烴異構(gòu)體分離

發(fā)布日期：2023-10-08 來源：貝士德儀器

正丁烷(n-C4H10)和異丁烷(iso-C4H10)均為重要的石化基礎(chǔ)原料,。工業(yè)上C4烷烴同分異構(gòu)體通常是從裂解氣或異構(gòu)化產(chǎn)物中獲得，以混合物的形式存在,。因此,，C4烷烴同分異構(gòu)體的分離非常重要,，且具有挑戰(zhàn)性,。工業(yè)上通常采用低溫精餾的方法進行分離，投資大,、操作復(fù)雜,、能耗高。相比而言,，吸附分離具有優(yōu)勢,，但傳統(tǒng)的吸附劑材料在分離選擇性和吸附量兩者之間往往存在相互制約，難以兼得,。因此,，理想的吸附劑材料不僅應(yīng)該具有合適的孔穴尺寸實現(xiàn)分子篩分效應(yīng)，同時應(yīng)該具有大的孔隙率以具備高的吸附容量,。

為了解決這一難題,，近日，天津工業(yè)大學(xué)仲崇立/黃宏亮團隊在Angew. Chem. Int. Ed.期刊發(fā)表了題為“Stepwise engineering of a cage-like MOF pore aperture for the efficient separation of isomeric C4 paraffins under humid conditions”的文章 (DOI: 10.1002/anie.202218596),，通過將一定數(shù)量的疏水基團引入籠狀MOF的孔窗口處,，通過精確調(diào)節(jié)MOF孔窗口尺寸，實現(xiàn)了高效的n-C4H10/iso-C4H10分子篩分分離 (圖1),。

圖1 籠狀MOF的孔穴尺寸調(diào)控和C4烷烴異構(gòu)體分離示意圖

在這項工作中,，作者將不同數(shù)量的疏水甲基引入具有較大孔籠的母體MOF (Zn-bzc) 的孔窗口處，得到甲基修飾的Zn-bzc-CH3 和Zn-bzc-2CH3 材料,。Zn-bzc,、 Zn-bzc-CH3和Zn-bzc-2CH3的康諾利表面和孔窗口尺寸如圖2所示。通過在Zn-bzc的孔窗口處引入不同數(shù)量的甲基基團,，可以實現(xiàn)其孔窗口尺寸的連續(xù)調(diào)控,，從而有望最終實現(xiàn)n-C4H10/iso-C4H10的分子篩分離。

圖2. (a) Zn-bzc中的bzc配體,；(b) Zn-bzc-CH3中的bzc-CH3配體,；(c) Zn-bzc-2CH3中的bzc-2CH3配體；(d) Zn-bzc,、(e) Zn-bzc-CH3和 (f) Zn-bzc-2CH3的康諾利表面結(jié)構(gòu),；(g) Zn-bzc,、(h) Zn-bzc-CH3和 (i) Zn-bzc-2CH3的孔窗口。

氣體吸附等溫線測試表明,，Zn-bzc和Zn-bzc-CH3對n-C4H10和iso-C4H10均有明顯的共吸附現(xiàn)象,。然而，即使在1 bar下,，Zn-bzc-2CH3 對iso-C4H10仍幾乎不吸附,，但可以有效的吸附n-C4H10,，從而表現(xiàn)出理想的分子篩分分離(圖3),。

圖3. (a) Zn-bzc、(b) Zn-bzc-CH3和(c) Zn-bzc-2CH3在298 K下的n-C4H10和iso-C4H10吸附等溫線圖,。

通過DFT計算,，作者進一步揭示了具有分子篩效應(yīng)的詳細機理 (圖4)。其中,，最小能量路徑MEP計算(圖4a-c)表明,，n-C4H10和iso-C4H10在Zn-bzc和Zn-bzc-CH3中均具有較低且相近的擴散能壘，意味著兩種氣體均易于在孔道中傳輸,，符合共吸附的實際規(guī)律,。對于Zn-bzc-2CH3，n-C4H10的擴散能壘為36.0 kJ mol-1,，而iso-C4H10的擴散能壘高至131.6 kJ mol-1,，這意味著在動力學(xué)上iso-C4H10無法通過孔穴傳輸，表明Zn-bzc-2CH3具有理想的n-C4H10/iso-C4H10分子篩分離效應(yīng),。同時,，吸附構(gòu)型分析表明，n-C4H10在Zn-bzc-2CH3可以被吸附在兩種不同的環(huán)境中,，包括甲基朝外的大孔和甲基朝內(nèi)的小孔,。在大孔中 (圖4d-e)，n-C4H10吸附在Zn簇附近,，并與Zn簇和吡唑環(huán)形成多個相互作用位點,，靜態(tài)吸附能為40.01 kJ/mol。圖4f的IGM分析顯示了特定的弱相互作用區(qū)域以及不同原子對主客體相互作用的貢獻,。當(dāng)n-C4H10吸附到小孔內(nèi)時,，其位于小孔的中心，并與周圍配體上的多個甲基形成多重弱相互作用 (圖4g-h),，該靜態(tài)吸附能為45.28 kJ/mol,。同時，IGM分析(圖4i)進一步證明,，小孔中的n-C4H10與MOF的相互作用主要來自于多個甲基基團的共同貢獻,。

圖4. (a) Zn-bzc,、(b) Zn-bzc-CH3和 (c) Zn-bzc-2CH3中的n-C4H10和iso-C4H10的擴散能壘；n-C4H10在Zn-bzc-2CH3 的大孔籠 (d,，e) 和小孔籠 (g,，h) 中的吸附構(gòu)型；n-C4H10在Zn-bzc-2CH3 的大孔籠 (f )和小孔籠 (i) 中的IGM分析,。

為了探究正異丁烷混合分離的實際效果,，作者在298 K下進行了固定床穿透實驗。如圖5a所示,，Zn-bzc-2CH3對n-C4H10/iso-C4H10混合組分離表現(xiàn)出優(yōu)異的分離效果,，且水汽幾乎不會和n-C4H10產(chǎn)生競爭吸附。而對于沒有甲基改性的Zn-bzc,，水汽和n-C4H10產(chǎn)生強烈的競爭吸附,，這說明甲基的引入在MOF孔道創(chuàng)建出了疏水的孔道微環(huán)境，大大降低了水的吸附能力,。

圖5. 在298 K下,，(a) Zn-bzc-2CH3分別在干燥和潮濕環(huán)境中的n-C4H10/iso-C4H10（v/v=1:1）混合物的穿透圖；(b) Zn-bzc-2CH3分別在干燥和潮濕環(huán)境中對n-C4H10的穿透圖,；(c) Zn-bzc和Zn-bzc-2CH3的單組分水蒸氣穿透圖,；(d) Zn-bzc分別在干燥和潮濕環(huán)境中對n-C4H10的穿透圖。

此外,，穩(wěn)定性測試實驗證實,，甲基的引入也能大大增強Zn-bzc-2CH3的化學(xué)穩(wěn)定性，并且在水中浸泡7天或者在空氣中放置30天,，其n-C4H10吸附能力仍然保持不變,。另外，Zn-bzc-2CH3對n-C4H10/iso-C4H10吸附分離表現(xiàn)出良好的循環(huán)再生能力,，進一步證實該材料具有重要的實際應(yīng)用前景,。

圖6. (a) Zn-bzc和Zn-bzc-2CH3化學(xué)穩(wěn)定性測試。(b) 苛刻條件處理后的Zn-bzc-2CH3的n-C4H10吸附等溫線,。Zn-bzc-2CH3的(c) n-C4H10單組分循環(huán)再生吸附實驗和(d) n-C4H10/iso-C4H10混合物分離循環(huán)再生實驗,。

總結(jié)

作者通過調(diào)控孔窗口處的甲基數(shù)量，實現(xiàn)了MOF吸附劑優(yōu)異的正異丁烷分子篩分效果,。一方面,，甲基的引入有效地調(diào)節(jié)了籠狀MOF的孔尺寸，從而實現(xiàn)了n-C4H10/ iso-C4H10的分子篩分分離,。另一方面,，籠狀的孔結(jié)構(gòu)提供了較高的孔隙率，從而使得Zn-bzc-2CH3 材料在298 K和1 bar下具有較高n-C4H10吸附容量,。此外,，引入的甲基基團在MOF孔道內(nèi)創(chuàng)建了疏水環(huán)境,，大大增加了MOF材料的化學(xué)穩(wěn)定性，并且很好地消除了水汽對n-C4H10/ iso-C4H10分離的影響,。該新材料在分離性能和穩(wěn)定方面均具有優(yōu)勢,，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。同時證明了在MOF的孔窗口處引入小分子來實現(xiàn)優(yōu)異的篩分效果的策略是可行的,，并且可擴展到更多的分子篩分體系中,，為發(fā)掘出更多高效的吸附劑材料提供了一種可能。

論文信息：

Stepwise engineering of a cage-like MOF pore aperture for the efficient separation of isomeric C4 paraffins under humid conditions

Lu Wang, Wenjuan Xue, Hejin Zhu, Xiangyu Guo, Hongliang Huang*, Chongli Zhong*

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202218596

貝士德 吸附表征全系列測試方案

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天津工業(yè)大學(xué)仲崇立/黃宏亮團隊：梯度調(diào)節(jié)籠狀MOF孔徑實現(xiàn)潮濕環(huán)境下的高效C4烷烴異構(gòu)體分離

發(fā)布日期：2023-10-08 來源：貝士德儀器

正丁烷(n-C4H10)和異丁烷(iso-C4H10)均為重要的石化基礎(chǔ)原料,。工業(yè)上C4烷烴同分異構(gòu)體通常是從裂解氣或異構(gòu)化產(chǎn)物中獲得,，以混合物的形式存在。因此,，C4烷烴同分異構(gòu)體的分離非常重要,，且具有挑戰(zhàn)性。工業(yè)上通常采用低溫精餾的方法進行分離,，投資大,、操作復(fù)雜、能耗高,。相比而言,，吸附分離具有優(yōu)勢，但傳統(tǒng)的吸附劑材料在分離選擇性和吸附量兩者之間往往存在相互制約,，難以兼得,。因此，理想的吸附劑材料不僅應(yīng)該具有合適的孔穴尺寸實現(xiàn)分子篩分效應(yīng),，同時應(yīng)該具有大的孔隙率以具備高的吸附容量,。

為了解決這一難題，近日,，天津工業(yè)大學(xué)仲崇立/黃宏亮團隊在Angew. Chem. Int. Ed.期刊發(fā)表了題為“Stepwise engineering of a cage-like MOF pore aperture for the efficient separation of isomeric C4 paraffins under humid conditions”的文章 (DOI: 10.1002/anie.202218596),，通過將一定數(shù)量的疏水基團引入籠狀MOF的孔窗口處，通過精確調(diào)節(jié)MOF孔窗口尺寸,，實現(xiàn)了高效的n-C4H10/iso-C4H10分子篩分分離 (圖1),。

圖1 籠狀MOF的孔穴尺寸調(diào)控和C4烷烴異構(gòu)體分離示意圖

圖2. (a) Zn-bzc中的bzc配體,；(b) Zn-bzc-CH3中的bzc-CH3配體,；(c) Zn-bzc-2CH3中的bzc-2CH3配體；(d) Zn-bzc,、(e) Zn-bzc-CH3和 (f) Zn-bzc-2CH3的康諾利表面結(jié)構(gòu),；(g) Zn-bzc、(h) Zn-bzc-CH3和 (i) Zn-bzc-2CH3的孔窗口,。

氣體吸附等溫線測試表明,，Zn-bzc和Zn-bzc-CH3對n-C4H10和iso-C4H10均有明顯的共吸附現(xiàn)象。然而,，即使在1 bar下,，Zn-bzc-2CH3 對iso-C4H10仍幾乎不吸附，但可以有效的吸附n-C4H10,，從而表現(xiàn)出理想的分子篩分分離(圖3),。

圖3. (a) Zn-bzc、(b) Zn-bzc-CH3和(c) Zn-bzc-2CH3在298 K下的n-C4H10和iso-C4H10吸附等溫線圖,。

通過DFT計算,，作者進一步揭示了具有分子篩效應(yīng)的詳細機理 (圖4)。其中,，最小能量路徑MEP計算(圖4a-c)表明,，n-C4H10和iso-C4H10在Zn-bzc和Zn-bzc-CH3中均具有較低且相近的擴散能壘，意味著兩種氣體均易于在孔道中傳輸,，符合共吸附的實際規(guī)律,。對于Zn-bzc-2CH3，n-C4H10的擴散能壘為36.0 kJ mol-1,，而iso-C4H10的擴散能壘高至131.6 kJ mol-1,，這意味著在動力學(xué)上iso-C4H10無法通過孔穴傳輸，表明Zn-bzc-2CH3具有理想的n-C4H10/iso-C4H10分子篩分離效應(yīng),。同時,，吸附構(gòu)型分析表明，n-C4H10在Zn-bzc-2CH3可以被吸附在兩種不同的環(huán)境中，包括甲基朝外的大孔和甲基朝內(nèi)的小孔,。在大孔中 (圖4d-e),，n-C4H10吸附在Zn簇附近，并與Zn簇和吡唑環(huán)形成多個相互作用位點,，靜態(tài)吸附能為40.01 kJ/mol,。圖4f的IGM分析顯示了特定的弱相互作用區(qū)域以及不同原子對主客體相互作用的貢獻。當(dāng)n-C4H10吸附到小孔內(nèi)時,，其位于小孔的中心,，并與周圍配體上的多個甲基形成多重弱相互作用 (圖4g-h)，該靜態(tài)吸附能為45.28 kJ/mol,。同時,，IGM分析(圖4i)進一步證明，小孔中的n-C4H10與MOF的相互作用主要來自于多個甲基基團的共同貢獻,。

為了探究正異丁烷混合分離的實際效果,，作者在298 K下進行了固定床穿透實驗,。如圖5a所示,，Zn-bzc-2CH3對n-C4H10/iso-C4H10混合組分離表現(xiàn)出優(yōu)異的分離效果，且水汽幾乎不會和n-C4H10產(chǎn)生競爭吸附,。而對于沒有甲基改性的Zn-bzc,，水汽和n-C4H10產(chǎn)生強烈的競爭吸附，這說明甲基的引入在MOF孔道創(chuàng)建出了疏水的孔道微環(huán)境,，大大降低了水的吸附能力,。

圖5. 在298 K下，(a) Zn-bzc-2CH3分別在干燥和潮濕環(huán)境中的n-C4H10/iso-C4H10（v/v=1:1）混合物的穿透圖,；(b) Zn-bzc-2CH3分別在干燥和潮濕環(huán)境中對n-C4H10的穿透圖,；(c) Zn-bzc和Zn-bzc-2CH3的單組分水蒸氣穿透圖；(d) Zn-bzc分別在干燥和潮濕環(huán)境中對n-C4H10的穿透圖,。

此外,，穩(wěn)定性測試實驗證實，甲基的引入也能大大增強Zn-bzc-2CH3的化學(xué)穩(wěn)定性,，并且在水中浸泡7天或者在空氣中放置30天,，其n-C4H10吸附能力仍然保持不變。另外,，Zn-bzc-2CH3對n-C4H10/iso-C4H10吸附分離表現(xiàn)出良好的循環(huán)再生能力,，進一步證實該材料具有重要的實際應(yīng)用前景,。

總結(jié)

作者通過調(diào)控孔窗口處的甲基數(shù)量，實現(xiàn)了MOF吸附劑優(yōu)異的正異丁烷分子篩分效果,。一方面,，甲基的引入有效地調(diào)節(jié)了籠狀MOF的孔尺寸，從而實現(xiàn)了n-C4H10/ iso-C4H10的分子篩分分離,。另一方面,，籠狀的孔結(jié)構(gòu)提供了較高的孔隙率，從而使得Zn-bzc-2CH3 材料在298 K和1 bar下具有較高n-C4H10吸附容量,。此外,，引入的甲基基團在MOF孔道內(nèi)創(chuàng)建了疏水環(huán)境，大大增加了MOF材料的化學(xué)穩(wěn)定性,，并且很好地消除了水汽對n-C4H10/ iso-C4H10分離的影響,。該新材料在分離性能和穩(wěn)定方面均具有優(yōu)勢，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景,。同時證明了在MOF的孔窗口處引入小分子來實現(xiàn)優(yōu)異的篩分效果的策略是可行的,，并且可擴展到更多的分子篩分體系中，為發(fā)掘出更多高效的吸附劑材料提供了一種可能,。