Nature：陸偉剛／李丹團隊的丙烯／丙烷分離研究新突破

　　 暨南大學化學與材料學院、廣東省功能配位超分子材料及應用重點實驗室教授陸偉剛/李丹團隊在丙烯/丙烷分離研究方面實現新突破。相關研究7月21日在線發表于《自然》。

　　該研究提出了一種新的分離機制——正交陣列動態篩分，在由金屬節點和有機配體通過自組裝形成的一類具有確定組成與結構和多樣化孔道的新興晶態多孔材料金屬-有機框架上，成功解決了傳統分子篩吸附動力學緩慢和吸附量低的問題。該研究可被廣泛應用于石油化工、疫情防控、醫療衛生等多個領域。

　　丙烯是全球產量最高的基礎有機化工原料之一，年產量超過1億噸。工業上，丙烯主要通過石油催化裂解或丙烷脫氫來制備。聚合級丙烯主要用于生產聚丙烯。丙烷裂解生產丙烯是工業界重要的技術路線。然而，這一技術并不能直接得到高純度丙烯。為去除殘留的丙烷，工業上往往以高昂的設備投資和巨大的能量消耗作為代價。

　　金屬—有機框架材料（MOF）是一類新興的由金屬節點和有機配體通過自組裝形成的具有確定組成與結構的晶態多孔材料。和傳統的多孔材料（分子篩、活性碳等）相比，前者憑借其可設計剪裁的框架和豐富多樣的孔道結構吸引了科研工作者的廣泛興趣。

　　研究人員針對MOF材料，首次提出正交陣列動態篩分機制，成功構筑了一例基于該分離機制的框架材料（命名為JNU-3）。該材料擁有三維網格結構，沿著晶體學a軸是4.5 × 5.3?的一維通道，在一維通道兩側是排列整齊的分子口袋，分子口袋和一維通道通過一個約3.7?的動態“葫蘆形”窗口相連。

　　據介紹，氣體可以在一維通道中快速擴散，而分子口袋則通過“葫蘆形”窗口選擇性地捕獲丙烯分子，從而獲得迄今為止最佳的丙烯/丙烷分離效果。研究人員通過原位單晶衍射和計算模擬解析了丙烯和丙烷分子與JNU-3的相互作用的篩分機制和動態過程。

　　“尋求綠色的分離方案，是未來實現碳達峰、碳中和的重大需求。”李丹表示，分子篩是一種很成熟的分離材料，已被廣泛應用于石油化工、煤化工、空氣分離與凈化、環境治理等多個領域。但是，分子篩吸附劑的應用也存在許多挑戰，例如，精確的孔徑設計困難，吸附動力學緩慢和吸附量低。

　　由研究人員設計、開發并合成的基于該篩分機制的JNU-3材料，其一維通道帶有嵌入的動態分子口袋，可以在本質上不同的壓力下高效地分離丙烯/丙烷（1/1）混合物，每公斤JNU-3可以得到53.5升聚合級（99.5 %）的丙烯，具有迄今為止最佳的丙烯/丙烷分離性能，實現了丙烯/丙烷分離領域的突破性進展，為設計下一代分離材料指出了新方向。

　　該研究還發現，丙烯/丙烷（50/50）混合物在298K下以1mL/min的總流速流過填充床，丙烷首先通過，未被丙烯污染，收集到的丙烷純度不低于99.99%。一段時間后吸附劑達到飽和，丙烯發生穿透，出口氣流中的丙烯和丙烷迅速達到等摩爾濃度，表現出JNU-3材料的優異突破性。

　　“JNU-3材料性能均明顯優于文獻報道的材料。”李丹表示，在丙烯的脫附過程中，根據丙烯的解吸曲線，混合氣體流速為1mL/min和6 mL/min時，丙烯的生產能力和純度分別為34.2L/kg（99.5%）、53.5L/kg（99.5%），即使在50%相對濕度的潮濕條件下，流速為6.0mL/min等摩爾丙烯/丙烷混合氣，丙烯分離的生產能力也高達44.9L/kg（99.5%）。

　　陸偉剛/李丹團隊長期致力于超分子配位功能材料的分子設計、合成技術、晶體工程和材料創制，探索這些材料在能源、環境和生物醫藥等領域的應用，已發展了“柔性框架材料誘導鍥合機制（JNU-1）”和“籠狀腔體多層篩分機制（JNU-2）”等新型能源氣體吸附分離理論和概念。