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【Small】具有超强乙烷纳米阱的氨基功能化MOFs用于乙烷/乙烯的高效分离

【Small】具有超强乙烷纳米阱的氨基功能化MOFs用于乙烷/乙烯的高效分离

发布日期:2024-08-30 来源:贝士德仪器

全文概述

开发高性能多孔材料来分离乙烷和乙烯是化学工业中一项重要但具有挑战性的任务。西安交通大学杨庆远教授团队开发出了一种新型的超强C2H6纳米阱材料CuIn(3-ain)4,它利用多种主客体相互作用来高效捕获C2H6分子并分离C2H6/C2H4混合物。在6.25 kPa298 K条件下,该材料对C2H6的吸附量高达2.38 mmol/g,对C2H6/C2H4的选择性为3.42(10:90)。此外,等摩尔C2H6/C2H4298 K下表现出较高的分离潜能∆Q (2286 mmol/L)。动力学吸附实验表明,CuIn(3-ain)4C2H6具有较高的吸附率,可作为捕获C2H6和分离C2H6/C2H4的新型基准材料。且CuIn(3-ain)4333 K的高温下也能保持其分离性能。理论模拟和单晶X射线衍射对如何调控孔隙尺寸和几何形状来调节选择性吸附特性提供了重要的见解。CuIn(3-ain)4C2H6/C2H4混合气体的优异分离性能得到了穿透性实验的证实。

背景介绍

传统工业分离乙烷乙烯的方法存在高能耗,高投资等缺陷,因此急需开发出一种绿色节能经济的方法进行替代。多孔材料的吸附分离技术具有低能耗,低投入的潜在优势,其中MOFs由于其独特的孔隙结构,成为吸附分离工艺中的重要材料之一。在乙烯乙烷分离领域中,具有乙烷选择性MOFs可以降低解吸能耗,实现一步纯化乙烯。但目前所报道的MOFs材料存在吸附能力有限,选择性不足等问题。另一方面,在实际工业场景中混气的温度通常高于环境温度,且在高温下分离烯烃烷烃有利于提高效率,节约能源。因此,在更接近模拟工业环境的条件下评估吸附剂的性能是至关重要的。但目前C2H6选择性MOFs在较高温度下的性能却很少被研究和实现。因此,开发能够在高温下有效分离C2H6/C2H4混合物的吸附剂势在必行。本文通过氨基功能化,对孔环境精确调控,实现优异的C2H6/C2H4分离(方案1)
材料合成与结构
CuIn(ina)4是双重互穿金刚石(dia)网络,具有沿a轴延伸的方形通道。在N,N-二乙基甲酰胺(DEF)/甲醇混合物中,CuIIn(NO3)3·xH2O3-氨基异烟酸100℃下进行热溶剂热反应,生成CuIn(3-ain)4的橙色晶体。单晶X射线衍射分析表明,CuIn(3-ain)4晶体属于正交Fdd2空间群。该结构由两个不同的四面体配位单元[CuN4]+[In(COO)4]组成,由3-氨基异烟酸连接。Cu+离子由四个独立的3-氨基异烟酸配体的吡啶氮原子四面体配位,而In3+离子由四个配体的羧酸基螯合,遵循软硬酸碱理论,构建了一个具有菱形拓扑结构的开放三维中性框架。与CuIn(ina)4相比,氨基的引入可以有效地减小某些方向上可达孔空间的大小,有助于形成具有更多相互作用位点的孔表面。
吸附行为