刚性MOF实现乙烯乙烷高效分离

tinghuayuan

利用含有高孔结构刚性，尺寸/形状匹配孔结构的金属有机框架材料，实现了对形状和尺寸极其相近的乙烯乙烷的分子筛分。

乙烯是石油化工产业的核心，全球年产量过亿吨，其产品占石化产品的70%以上,在国民经济中占有不可忽视的重要地位。在乙烯生产过程中，往往需要通过低温工艺分离乙烷来实现提纯，这一工艺耗能巨大。近年来，以MOF为代表的多孔材料在乙烯/乙烷的吸附选择性分离领域取得了诸多重要进展。

通过分子筛分的方式可以实现乙烯乙烷的完全分离。这种方式也可以进一步用于更高效的膜分离。由于乙烯乙烷的尺寸差别极小(亚埃级别，10-2 nm)，要求多孔材料需具有很高的尺寸匹配度。然而，由于MOF材料中的有机组分具有一定的结构柔性（如旋转，翻转），其孔道尺寸在吸附过程中容易发生改变，难以实现分子筛分。

图1. 典型MOF材料中的有机组分柔性与本文材料中的配体配位方式对比

有鉴于此，美国德州大学圣安东尼奥分校的陈邦林、美国国家标准与技术研究所的周伟等团队合作发现，得益于有机配体的刚性配位几何，含有高孔道刚性的一例钙的MOF材料能实现对乙烯/乙烷的分子筛分分离。

研究人员通过单晶衍射和理论计算发现这种微孔MOF的孔道结构在多种条件下都能很好地维持，这是实现对乙烯乙烷筛分分离的关键。在室温常压条件下，该MOF材料能从多种含乙烯的复杂混合物（包括模拟裂解气）中成功分离出乙烯。该材料还具有出色的水稳定性。另外该材料可以通过简便，绿色，易于大规模生产的方式得到，在实验室已经能实现公斤级合成。

总之，这项研究为寻找具有高效乙烯/乙烷分离性能的材料提供了全新的思路，进一步推动了MOF在高效、低能耗的工业分离中的实际应用。

《Nature Materials》还同期在线对该工作进行了特约评论。Nature Materials 特约评论人 Jorge Gascon教授评论称：由于该MOF材料（UTSA-280）的刚性结构和便于大规模制备的优点，使其成为目前乙烯和乙烷分离最有效的材料之一。(A rigid and easily scalable metal–organic framework is shown to be among the most efficient materials for separating ethylene from ethane.)（Jorge Gascon et al. An efficient nanosieve, Nature Materials, 2018, https://www.nature.com/articles/s41563-018-0223-1）