南開大學在炔烴/烯烴分離研究方面取得進展

南開大學聯(lián)合曼徹斯特大學、中國科學院大連化學物理研究所分子反應動力學國家重點實驗室以及英國盧瑟福·阿普爾頓實驗室、美國橡樹嶺國家實驗室等科研機構(gòu)，設計構(gòu)筑分子篩限域配位不飽和中心，實現(xiàn)了化學選擇性炔烴烯烴吸附分離。該研究成果發(fā)表于《科學》(Science)雜志上。

低碳烯烴是化學工業(yè)重要的基本原料，全球產(chǎn)能接近400 Mta，其生產(chǎn)過程會引入少量炔烴雜質(zhì)，對其聚合與后續(xù)加工產(chǎn)生極大影響。高效去除炔烴雜質(zhì)、生產(chǎn)聚合物級低碳烯烴對許多工業(yè)過程非常重要，是具有極大挑戰(zhàn)性的國際前沿科學問題。當前工業(yè)上采用復雜且高耗能的選擇加氫除炔工藝，雖然以金屬有機框架材料為代表的多孔吸附材料可選擇性吸附炔烴從而實現(xiàn)炔烴烯烴分離，有望替代當前昂貴繁瑣的選擇加氫除炔工藝。然而，基于炔烴烯烴氣體分子與多孔吸附材料間復雜相互作用的吸附分離過程很難兼具高的吸附容量與分離選擇性，而且多孔吸附材料自身的循環(huán)穩(wěn)定性與成本也進一步制約其工業(yè)應用。

針對上述問題，該研究團隊從廉價易得的材料入手，設計構(gòu)筑了八面沸石(FAU)限域配位不飽和中心(Ni，Cu，Zn)，利用其與炔烴分子的可逆化學成鍵實現(xiàn)炔烴烯烴化學選擇性吸附分離，提出基于化學鍵的吸附分離新策略，從根本上解決了吸附容量與分離選擇性難以兼顧的問題，并具有方法學上的普適性。

反應中間體的探測與表征是詮釋化學反應機理的關鍵。然而，這些反應中間體的數(shù)量密度低、壽命短、結(jié)構(gòu)復雜，試驗研究非常困難，往往需要高靈敏度、高時間分辨以及對結(jié)構(gòu)敏感的譜學等探測方法。該研究團隊將高分辨率質(zhì)譜與光參量振動激光器相結(jié)合，自主研制了紅外光解離光譜，可原位在線高靈敏探測關鍵反應中間體的組成與結(jié)構(gòu)，對詮釋催化反應機制具有重要作用。

通過原位中子衍射、非彈性中子散射、紅外光解離等先進譜學技術解析炔烴烯烴分子與Ni@FAU的相互作用機制，揭示了FAU分子篩限域的配位不飽和Ni(Ⅱ)中心與炔烴分子化學選擇性成鍵，以及亞穩(wěn)態(tài)Ni(Ⅱ)(C2H2)3與Ni(Ⅱ)(C3H4)3物種的生成。該研究結(jié)果利用先進的譜學技術從分子、團簇、表界面多層次揭示能源小分子與催化劑的化學反應規(guī)律，為新型高效吸附催化材料的設計開發(fā)提供思路，有望推動分子篩材料在相關工業(yè)吸附分離過程中的應用。

[中國石化有機原料科技情報中心站供稿]