赵学波教授科研团队在气体分离研究领域取得重要进展

发布时间:2020-11-09作者:淡天俊,单宝来浏览次数:289

【本站讯】近日,我校重质油国家重点实验室赵学波教授团队在乙炔和二氧化碳混合气体分离研究方面取得重要进展。相关研究论文《通过吸附位点选择性占据实现乙炔/二氧化碳高效分离》(Adsorption Site Selective Occupation Strategy within a Metal‐Organic Framework for Highly Efficient Sieving Acetylene from Carbon Dioxide)在国际化学领域顶级期刊Angewandte Chemie International Edition发表。我校化学工程学院博士研究生杨灵志为论文第一作者,赵学波教授为通讯作者,中国石油大学(华东)为第一署名单位和唯一通讯单位。该项研究成果得到国家自然科学基金和山东省泰山学者项目资助。

乙炔(C2H2)是一种非常重要的有机化工基础原料,但在乙炔生产过程中,通常会产生少量的二氧化碳(CO2)等杂质,因此在应用之前需要对乙炔进行纯化。由于乙炔和二氧化碳的沸点(乙炔沸点189.3 K,二氧化碳沸点194.7 K)、分子尺寸(C2H2为3.3 × 3.3 × 5.7 Å3,CO2为3.2 × 3.3 × 5.4 Å3)非常相近,同时具有相同的动力学尺寸(3.3 Å),传统的吸附材料难以有效地对乙炔和二氧化碳的混合物进行分离。

赵学波教授科研团队根据乙炔和二氧化碳在孔道中排布方式和吸附位点的不同,以CPL-1为母体结构,发展了一种全新的吸附位点选择性占据方法实现了乙炔二氧化碳混合气的高效分离。在CPL-1中,C2H2分子主要以侧向(side-on)平行的方式吸附在孔道中,而CO2分子主要以端尾相对(end-on)的方式吸附在孔道中。由于每个晶胞可容纳两个CO2分子但仅可容纳一个C2H2分子,CPL-1对C2H2/CO2的分离效率较低。实验发现,将氨基(-NH2)修饰在CPL-1的孔道中之后,CPL-1-NH2孔道中的氨基成功占据了CO2的吸附空间和吸附位点,使CPL-1-NH2中的每个晶胞最多吸附一个CO2分子。出人意料地是,修饰的氨基降低了骨架与CO2分子的吸附结合能。与此相反,CPL-1-NH2对乙炔展现了更强的结合能力,在极低压力下即可吸附大量乙炔气体。因此,CPL-1-NH2展现了极高的C2H2/CO2分离效率,采用理想吸附溶液理论(IAST)模拟计算得到的常温常压条件下C2H2/CO2选择性为119,是文献中C2H2/CO2分离材料的佼佼者。

通过DFT理论模拟计算发现,氨基屏蔽了骨架中未配位羧基氧对二氧化碳的吸附作用,导致了骨架与二氧化碳结合能力的降低。同时,由于乙炔分子与二氧化碳分子存在吸附空间重叠和竞争,乙炔分子一旦优先吸附在孔道中,便极难被二氧化碳取代,从而进一步地提高了材料对C2H2/CO2的分离能力。此外,为了进一步评估CPL-1-NH2对C2H2/CO2混合气体的实际分离能力,在常温常压条件下进行了固定床突破实验,CO2迅速突破床层,几乎没有停留,而C2H2直到28分钟之后才突破床层,实现了二者的完全分离。在同样操作条件下,重复实施了八次C2H2/CO2动态突破实验,该团队新开发的吸附纳孔材料CPL-1-NH2表现出了非常良好的稳定性和优异的分离性能。

该项研究成果获得审稿专家充分肯定,审稿专家一致认为该工作报道的吸附位点选择性占据方法为实现混合气体的高效分离提供了一种新策略。

赵学波教授团队近年来致力于新能源与新材料等领域的研究,承担国家自然科学基金、山东省重点研发计划等各类课题20余项,在JACS、Angew、Advanced Materials、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Applied Catalysis B:Environmental、Nano Energy等国际重要期刊发表了一系列高水平研究成果。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202013965