浙江大学黄飞鹤、华彬,中国石油大学彭云雷JACS:超疏水自修复多孔有机大环晶体用于潮湿条件下甲烷净化

文摘   2025-01-28 17:13   江西  

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原文链接:10.1021/jacs.4c14130

使用吸附剂从天然气中净化甲烷不仅要求吸附剂具有出色的分离性能,而且还要克服其他艰巨的挑战,例如湿度干扰和耐用性要求以实现可持续使用。

近日,浙江大学黄飞鹤、华彬,中国石油大学彭云雷团队制备了一种具有超疏水和自修复特性的新型大环多孔有机晶体(CaC9),并用于在 97% 相对湿度下从三元甲烷/乙烷/丙烷混合物中净化甲烷(纯度 >99.99%)。对甲烷的高选择性和耐水性归因于 CaC9 独特的化学结构,其具有固有的 4.2 Å 孔以及用饱和烷基链修饰的孔环境。此外,CaC9 晶体表现出自修复能力,可在 15 分钟内实现孔隙率的原位重建。 CaC9 晶体在正己烷蒸汽处理后很容易从无孔状态转变为多孔状态,从而为增强多孔材料可持续分离过程提供了一种新方法。这项工作引入了一种用于天然气分离的新型分子级多孔吸附剂,为设计具有意想不到功能的新型吸附剂提供了宝贵的动力。相关研究成果发表于《J. Am. Chem. Soc.》上

图文解析

1. CaC6CaC7CaC9 CaC10 的合成和晶体结构。碳原子:青色。氧原子:红色。为清晰起见,省略了氢原子。

2. (a) CaC9 分子结构图。(b) CaC9 的电势图。(c) (DCM)2@CaC9 中二氯甲烷和 CaC9 的相对排列。(d) (DCM)2@CaC9 的晶体结构堆积图。(e) 沿 c 轴方向延伸的 CaC9β 空通道表示。(f) 通道段的侧视图。碳原子:青色。氧原子:红色。氯原子:绿色。氢原子:灰色。为了清晰起见,省略了 (c−f) 中的氢原子。

3. (a) PXRD 图谱比较:(I) CaC9close (II)吸附正己烷后;(III) CaC9open(IV) CaC9β模拟。(b) CaC9close CaC9open 77 K 氮吸附等温线。实线符号:吸附;空心符号:解吸。(c) 蒸汽诱导结构转变过程示意图。

4. (a) 298 K CaC9open CH4C2H6 C3H8 的吸附-解吸等温线。实心符号:吸附;空心符号:解吸。 (b) 298 K CaC9open 50:50 C3H8/CH4 C2H6/CH4 混合物的 IAST 吸附选择性。 (c) CaC9open CH4C2H6 C3H8 吸附-解吸的 Qst298 K CaC9open CH4/C2H6/C3H885:10:5v/v/v)的动态柱突破曲线,流速不同:(d) 1(e) 3(f) 5 mL·min−1。为了保证计算结果的可靠性,我们构建了一个包含超过 1000 个原子的完整 CaC9β 晶胞模型来模拟客体分子的优先吸附位点。为清晰起见,正文中仅显示客体分子的结合位置,而完整的计算模型则在支持信息中提供。通过 DFT-D 模拟计算的 (g) CH4(h) C2H6 (i) C3H8 的模拟吸附位点。通过 IGMH 分析计算的 (j) CH4(k) C2H6 (l) C3H8 的模拟弱相互作用。

5. (a) 衰减全反射红外光谱:新鲜的 CaC9open 晶体;暴露于潮湿空气中 7 天后。此处绿色区域是自由水的峰值位置。(b) CaC9open晶体的疏水角测试。(c) 298 K CaC9open 晶体的动态蒸汽吸附等温线。(d) CaC9open晶体的真空动态蒸汽吸附循环测试。(e) CaC9open晶体的 CH4/C2H6/C3H885:10:5v/v/v)在 298 K 下动态柱突破曲线,流速为 3 mL·min −197% R.H.,持续十个循环。f298 K 下,流速为 3 mL·min−1时,成型 CaC9 开晶整体柱的 CH4/C2H6/C3H885:10:5v/v/v)的动态柱突破曲线。

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