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第一作者:李旭飛

通訊作者:黃維秋

通訊單位:常州大學油氣回收工程技術研究中心

DOI:10.1016/j.ccr.2022.214714

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氣體混合物的高效精細化分離是世界石油化工生產的關鍵技術及研究熱點,其中低濃度CO2分離、烯/炔/烷烴分離、同分異構體(C4-C8)分離,氙/氪分離等是現代化工過程中高質量生產的難點和新挑戰。傳統的熱驅動分離(如精餾分離和催化加氫分離)存在能耗高等缺陷,而採用非熱驅動分離(如吸附分離和膜分離)不僅可以降低能耗,且分離效果顯著。在吸附分離過程中,金屬有機骨架(Metal-Organic Framework,MOF)材料因其多樣的孔尺寸/形狀以及易官能化等特點,為吸附分離技術提供了可靠的解決方案,但通常存在吸附容量和分離選擇性難以兼具的現象(稱為trade-off效應)。

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基金支持




該論文得到了國家自然科學基金面上項目和江蘇省研究生科研與實踐創新計劃項目的支持。


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圖文解析





圖1pcu拓撲結構APMOF的合成路線

要點:作為MOF材料的一個重要分支,陰離子柱撐MOF材料(Anion-Pillared MOF,APMOF,圖1)不僅具有優異的孔結構特性,而且其孔道內的強鹼性無機陰離子位點為氣體分子提供了豐富的氫鍵受體(如F、O和H),形成了協同的主-客和客-客相互作用力,從而實現了氣體混合物的高效分離。


圖2APMOF材料的命名規則

要點:APMOF按陰離子可以分為,MFSIX(MF62-,M = Metal),FOXF (MOxF6-x2-),DICRO(CrO72-),BSF(B12H122-),MOFOUR(MO42-)等。同時,其命名規則也是按照陰離子-配體-金屬(圖2,A-L-M-i,i表示該結構為互穿型)。


圖3代表性APMOF材料


要點:圖3為代表性APMOF材料的發展過程。代表性團隊主要有:浙江大學任其龍院士團隊(ZJU-x、ZUL-x)、浙江大學邢華斌教授、崔希利教授團隊(ZU-x)、浙江師範大學張袁斌教授團隊(ZNU-x)、南昌大學王珺教授團隊(NCU-x)、南京工業大學段金貴教授團隊(NTU-x)、中山大學林銳標教授團隊、美國德州大學聖安東尼奧分校陳邦林教授團隊(UTSA-x)、愛爾蘭利莫瑞克大學Michael J. Zaworotko教授團隊、阿卜杜拉國王科技大學Mohamed Eddaoudi教授團隊等。


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總結與展望





儘管APMOF材料已經表現出優異的吸附分離性能,但仍然還有幾個問題值得關註:

(1)孔徑/形狀。一方面,孔徑大小受配體長度和互穿程度的影響,並通過取代金屬節點或陰離子柱進行微調。另一方面,目前的APMOF主要由雙連接的N-供體配體和線性柱構成,很少有三/四連接的配體或角柱,應改變它們以實現孔徑/形狀的多樣性。

(2)孔環境。主要是無機陰離子和次要是有機配體。

(3)穩定性。一方面,改變金屬節點、取代陰離子柱或修飾配體;另一方面,提高互穿程度也可以提高APMOF材料的穩定性。

(4)多組分等網狀APMOF (MI-APMOF)。具有混合金屬、混合配體或混合陰離子的MI-APMOF能夠調整孔徑/形狀和環境,並保持拓撲結構的完整性。

(5)分離機理。目前,APMOF的分離主要受熱力學/動力學或熱力學/尺寸篩分協同效應控制,而它們只吸附小分子,排除大分子。而新型柔性吸附材料(ZU-62),其較小的孔可自適應擴張並吸附大分子。

(6)APMOF複合材料。目前基於APMOF的複合材料種類較少,主要是固體材料,尤其是膜材料。多孔液體(PLs)是一種結合了流動液體和多孔固體優點的新型流動材料,而基於APMOF的PLs還未見報道。

(7)分離範圍(氣體類型)。儘管已經報道了APMOF用於各種氣體的分離,但有幾種氣體迄今尚未得到深入研究,例如煤層氣甲烷淨化、C5-C6異構體分離(提高汽油辛烷值)、苯/環己烷(Bz/Cy)分離,以及其他典型的揮發性有機化合物(VOCs)。

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全文鏈接





https://doi.org/10.1016/j.ccr.2022.214714








文稿:20級博士研究生李旭飛

校閱:21級博士研究生王鑫雅

編輯:21級碩士研究生李曉彤








·常州大學油氣回收工程技術研究中心·





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