研究背景
乙烯（C2H4）作为世界上产量最大的化工原料之一，在高分子、化工合成等领域具有广泛应用，被形象地称之为全球化工行业支柱。工业上一般通过石油化工和煤化工用高温裂解法得到原料气，其中往往包含乙烷（C2H6）、乙炔（C2H2）等杂质，传统工艺纯化乙烯耗能巨大，仅仅乙烯及其相关产品的分离能耗就占全球能量总产出的 0.3 %。物理吸附分离技术相比精馏和溶剂萃取等工艺，具有纯化效率高，工艺操作简单，耗能低等特点是极具潜力的下一代纯化技术。
然而，要实现乙烷/乙烯/乙炔三组分混气中一步分离纯化乙烯却面临诸多困难。首先，乙烯的动力学直径和四极矩分别为 4.16 Å 和 1.5×10-26 esu cm2，恰好介于乙炔（3.3 Å 和 7.2×10-26 esu cm2）与乙烷（4.4 Å 和 0.65×10-26 esu cm2）之间（表 1），因此无法依照动力学原理简单地通过尺寸筛分的方式实现 C2 三组分一步分离乙烯；其次，通过热力学调控，使得吸附剂对于乙炔和乙烷的吸附作用力大于乙烯似乎成为唯一选择，但目前仅有少数多孔材料能够做到这点。这是因为，对于满足热力学筛分的孔道结构特点目前仍不清楚。如何使吸附剂对于乙烷和乙炔吸附作用力强于乙烯，满足上述条件的吸附剂孔道结构特点是什么，是目前亟待解答的问题。
论文详情
西北工业大学的陈凯杰教授课题组对上述问题展开研究，提出了 C2 三组分一步分离乙烯吸附剂孔道的一般规律，并阐释了孔道规律与热力学成因的内在联系，即：
（1）不含金属位点。包含开放金属位点（Open metal site, OMS）的孔道容易与不饱和烃类的 π 电子发生配位作用，对于乙烯亲和力较强，不利于乙烯/乙烷之间的分离。（2）极性孔表面。孔道表面裸露的 N/O/F 等极性原子容易与 H 原子酸性较强的乙炔形成更强的氢键，从而增强乙炔的吸附。（3）狭窄的吸附空间。狭窄的吸附空间有利于体积较大且氢原子较多的乙烷接触更多的孔道表面，形成多重弱亲和作用，有效增强对乙烷的吸附，有利于三组分一步分离乙烯。
该工作作为一般性规律探索，能够为今后吸附剂筛选和孔道结构设计提供借鉴和参考。相关成果以“General pore features for one-step C2H4 production from a C2 hydrocarbon mixture”在Chemical Communications 上发表。
研究亮点
亮点一：提出了用于三组分 C2 烃类一步分离乙烯吸附剂的一般孔道特征
亮点二：通过所提出的孔道特征，筛选出四例代表性的金属有机框架材料，实现了三组分 C2 烃类气体的乙烯一步纯化。并通过两例反例，阐明了孔道 特征在三组分 C2 烃类乙烯纯化中的必要性。
亮点三：分子模拟的主-客体结构信息印证了猜想的准确性。
论文信息
General pore features for one-step C2H4 production from a C2 hydrocarbon mixture
Tao Zhang, Jian-Wei Cao, Shu-Yi Zhang, He Feng, Ye Li, Yu Wang*（王昱，西北工业大学）, Juan Chen, Teng Wang and Kai-Jie Chen*(陈凯杰，西北工业大学)
Chem. Commun., 2022.
http://doi.org/10.1039/D2CC00177B
第一作者
张涛
西北工业大学
西北工业大学化学与化工学院博士后。2014 年本科毕业于西安交通大学理学院应用化学系，2019 年博士毕业于西安交通大学前沿科学技术研究院，获材料科学与工程博士学位。主要从事配位聚合物的晶体结构设计，孔化学调控及相关气体吸附、分离和储存方面的研究。迄今为止发表 SCI 论文 19 篇，包括 J. Am. Chem. Soc.；Nat. Commun.; ACS Appl. Mater. Interfaces; Chem. Commun.; Chin. J. Chem.; Inorg. Chem.; Chem. Eur. J.; Cryst. Growth Des.; CrystEngComm 等，其中第一作者论文 8 篇。参与国家自然科学基金面上项目两项，参加国内外学术交流会议三次，获得省部级奖励一项。
曹健玮
西北工业大学
西北工业大学化学与化工学院硕士研究生，研究方向为多孔配位聚合物设计及多组分体系下乙烯的一步提纯。在 Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Nanoscale 等期刊发表多篇论文。
通讯作者
王昱 副教授
西北工业大学
西北工业大学化学与化工学院副教授。2019 年在中山大学获博士学位，2019-2021 年在日本 AIST-京都大学从事博士后研究。主要从事多孔配位聚合物的结构设计及其在气体吸附分离和小分子催化方面的应用研究。以第一作者或通讯作者身份在 JACS., Angew, Chem. Commun., Inorg. Chem., Chem. Eur. J. 等刊物发表多篇论文。
陈凯杰 教授
西北工业大学
2008 年本科毕业于郑州大学，2013 年获中山大学博士学位，2014 年起在爱尔兰利莫瑞克大学从事博士后研究。2018 年加入西北工业大学化学与化工学院，任教授/博导。主要从事多孔分离材料的设计构筑及气体分离研究，以第一或通讯作者在 Science, JACS, Chem, Angew. Chem. Int. Ed. 等杂志上发表论文 30 余篇。目前担任特种功能与智能高分子材料工信部重点实验室副主任，西安市功能有机多孔材料重点实验室副主任。2018 年入选国家海外高层次人才引进青年项目，并入选“2019 中国十大新锐科技人物”。
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