福建師范大學的低能耗高純度乙烯分離研究獲進展

2021年7月13日，福建師范大學的研究團隊利用簡單有機分子自組裝氫鍵有機框架材料(HOFs)，首次實現在工況溫度下乙烯/乙烷高效分離，推動氫鍵有機框架材料在高效、低能耗工業分離中的實際應用。相關研究成果發表于《自然化學》雜志。

乙烯是石化產業的核心，預計到2023年全球乙烯產能將超過200 Mt/a。在乙烯生產過程中，利用低溫精餾技術分離乙烷來實現乙烯提純，將消耗大量能量，超過全球年能源消耗的0.3%。

利用晶態多孔材料，如金屬有機框架、共價有機框架和氫鍵有機框架材料等，實現碳氫化合物的高效吸附分離已取得諸多進展。然而，孔道柔性往往成為阻礙低能耗、高純度乙烯分離的主要原因。一方面，乙烯與乙烷分子尺寸差別極小，要求多孔材料需具有很高的尺寸匹配度。但有機組分具有一定的結構柔性，晶態多孔材料孔道尺寸在吸附過程中容易發生改變，難以實現分子篩分離乙烯和乙烷；另一方面，隨著壓力增加，柔性孔道逐漸變大，導致乙烯/乙烷的共吸附現象嚴重。

該研究團隊利用骨架柔性，提出溫度和壓力協同調控的“門控機制”策略，實現對乙烯/乙烷的高效分離。在設計合成新型有機小分子的基礎上，通過自組裝制備了一例具有獨特“剛柔并濟”孔道特性的氫鍵有機框架材料，其三重穿插氫鍵網絡形成了可選擇性篩分乙烯/乙烷的孔道結構。氣體吸附和粉末衍射數據表明，弱的非經典氫鍵(C—H…N)有利于骨架保持一定的柔性，而連續的π…π作用可以增強骨架的剛性。

試驗結果表明，隨著溫度升高，吸附氣體所需的閾值壓力增加，在工況溫度(333 K)時最大程度上減少了共吸附現象，實現了最優的乙烯分離效果。單晶結構表明，乙烯分子通過弱的C—H…π相互作用吸附在孔道中。同時，這種微孔HOF材料具有優異的熱穩定性，在水、強酸、強堿及一些極性有機溶劑中都能保持骨架穩定，為實現氣體分離純化的實際應用提供了必要條件。