工业乙烯（C2H4）生产过程，如烷烃脱氢和石脑油裂解，通常会产生微量乙炔（C2H2）作为副产品。从C2H4原料中去除C2H2具有巨大的经济和实际意义，华北电力大学王祥科团队报告了一种“单分子陷阱”策略，可以在极低的压力下优先捕获C2H2分子，大大提高低压下C2H2相对于C2H4的吸附选择性。实现微量乙炔的分离，相关文章以“Single-Molecule Traps in Covalent Organic Frameworks for Selective Capture of C2H2 from C2H4-Rich Gas Mixtures”为题，发表在Research上。
Citation:
Zhou Y, Xie Y, Liu X, Hao M, Chen Z, Yang H, Waterhouse GIN, Ma S, Wang X. Single-Molecule Traps in Covalent Organic Frameworks for Selective Capture of C2H2 from C2H4-Rich Gas Mixtures. Research 2024; 7: Article 0458.
https://doi.org/10.34133/research.0458
乙烯（C2H4）是石化工业中最重要的产品之一，广泛应用于有机化学品和聚合物的生产。然而，工业C2H4生产过程，如烷烃脱氢和石脑油裂解，通常会产生微量乙炔（C2H2）作为副产品。从C2H4原料中去除C2H2具有巨大的经济和实际意义，因为痕量C2H2会对需要高纯度C2H4的聚合和合成应用产生不利影响。
目前大多数痕量C2H2去除方法都是能源密集型的，并且运营成本高，这促使人们寻找能够以低成本去除C2H2的物理吸附剂。已经开发出沸石、多孔碳和MXenes等多孔材料来从C2H4中去除C2H2，但由于选择性差和吸附能力低，它们的分离过程通常不令人满意。这促使人们寻找具有高C2H2吸收能力和对C2H2/C2H4具有高选择性，且可在实际条件下运行的基于共价有机框架材料（COFs）的吸附剂。
华北电力大学王祥科团队报告了一种“单分子陷阱”策略（图1）。通过在COF-1中一维（1D）孔道壁上巧妙构造出的由N、O、H原子组成的“单分子陷阱”，可以在极低的压力下优先捕获C2H2分子，从而大大提高低压下C2H2相对于C2H4的吸附选择性。这一研究结果与工业上纯化C2H4原料的实际挑战息息相关。
图1 COF-1的“单分子陷阱”策略
通过分子模拟的方法，清晰地说明了结构与分离性能关系，验证了COF-1在分子水平上对C2H2和C2H4的吸附亲和力差异，是去除痕量C2H2的关键（图2）。
图2 对COF-1具有更高的C2H2亲和力进行分子层面解释
这项工作表明，可以利用COF 1D孔道中特定功能组的协同作用从富含C2H4的工业气体混合物中去除痕量C2H2。通过清晰地说明结构与分离性能关系，指导了合理调节局部微环境，用于开发从工业生产的C2H4中去除微量C2H2的COFs物理吸附剂，为实际工业生产中从富C2H4原料中有效去除痕量C2H2提供了一种有前途的新策略。
王祥科，华北电力大学环境科学与工程学院教授，1995年获兰州大学学士学位，2000年获兰州大学博士学位。后加入法国SUBATECH实验室担任研究员，并加入德国卡尔斯鲁厄研究中心担任亚历山大·冯·洪堡研究员。专注于纳米材料的合成及其在能源和环境污染管理中的应用，以及对环境中放射性核素物理化学行为的表征。
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