近日，南开大学胡同亮教授构筑了一例双功能超微孔MOF材料，其具有高的化学稳定性和良好的经济适用性，并可实现C3H6/C3H8混合物的高效分离。该成果以“Efficient C3H6/C3H8 separation within a bifunctional ultramicroporous metal-organic framework with high purity and record packing density”为题，发表在期刊Chin Chem Lett上（DOI: 10.1016/j.cclet.2024.110556）。
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【研究背景】
丙烯（C3H6）是生产高附加值精细化学品和聚合物的重要化工原料，其主要通过碳氢化合物的热裂解或者催化等过程生产，而这些生产过程不可避免引入丙烷（C3H8）等杂质。C3H6与C3H8极其相似的物理性质如沸点、分子尺寸和形状等，致使从C3H6/C3H8混合物中分离C3H6极具挑战。基于非热驱动的吸附分离技术以高效节能等优势备受关注，而金属-有机框架（MOFs）作为新兴的多孔晶态固体吸附剂有望应用于吸附分离技术。当前MOFs作为吸附剂材料应用于C3H6/C3H8混合物分离尚存在化学稳定性差、吸附量低、选择性不佳、成本高以及堆积密度有限等不足，即开发适用于工业应用的高效MOFs吸附剂材料实现C3H6/C3H8混合物的有效分离迫在眉睫。
【工作亮点】
本工作利用低廉有机配体构筑一例稳定双功能超微孔MOF材料，在实现C3H6/C3H8混合物高效分离的同时，也可拥有超高的C3H6堆积密度，促进了MOFs材料在工业中的实际应用，同时也为构筑高性能MOFs材料解决工业分离挑战提供了见解。
【图文简介】
图1 Co-aip-pyz的孔道结构及C3H6和C3H8气体分子示意图。
基于低廉的有机配体（四水合乙酸钴，5-氨基间苯二甲酸和吡嗪），采用溶剂热方法合成超微孔MOF材料（Co-aip-pyz），该结构孔尺寸4.41 × 5.67 Å2恰好介于C3H6（4.1 × 5.1 Å2）和C3H8（5.3 × 5.1 Å2）之间，有利于实现C3H6/C3H8混合物的高效分离。
图2 Co-aip-pyz对C3H6和C3H8的吸附性能研究。
单组分气体吸附等温线表明Co-aip-pyz具有较高的C3H6吸附容量和C3H6/C3H8吸附比率，良好的低压区吸附行为以及超高的C3H6堆积密度。
图3 Co-aip-pyz中C3H6吸附热和C3H6/C3H8混合物的吸附选择性研究。
Co-aip-pyz中低的C3H6吸附热表明其可在温和条件下活化再生，较高的C3H6/C3H8吸附选择性说明其具有分离C3H6/C3H8混合物的潜力。
图4 C3H6分子在框架中的优先吸附构型及其静电势图。
理论计算表明，合适的孔尺寸与特定作用位点的协同作用可有效筛分C3H6/C3H8混合物，并可实现C3H6在框架中的密堆积。
图5Co-aip-pyz对C3H6/C3H8混合物的分离性能研究与已报道MOFs材料的性能比较。
穿透曲线（模拟和实验）表明Co-aip-pyz可实现C3H6/C3H8混合物的高效分离并具有良好的循环稳定性。与已报道的基准MOFs材料相比，Co-aip-pyz在吸附热、C3H6堆积密度、C3H6/C3H8吸附比率以及经济应用性等方面表现突出，有望在石油化工行业中应用。
综上所述，本工作构筑的双功能超微孔MOF在实现C3H6/C3H8混合物高效分离的同时，兼具稳定性高与成本低等优势，促进了MOFs在重要而极具挑战性的气体混合物分离中的应用，并且为构筑高效能MOFs吸附剂材料提供了有效策略。
【通讯作者简介】
胡同亮，教授、博士生导师、南开大学“百名青年学科带头人”(2016)。2006年博士毕业于南开大学化学学院(导师：卜显和院士)；2008年任南开大学化学学院副教授、硕士生导师；2014-2015年，在美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校做访问学者(合作导师：陈邦林教授)；2016年起任南开大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。目前主要从事能源、环境相关高性能晶态材料的设计合成、性能与应用等方面的研究工作。
