多孔材料中芳香烃的分离

张明 2023-12-21

大气中的二氧化碳浓度持续上升，已超过400 ppm，这引起了科学家和决策者的极大关注。

工业化石燃料的消耗产生了大量的二氧化碳排放，尤其是需要热处理的能源密集型分子分离，如蒸馏、干燥或蒸发，是造成这些排放的主要原因，占美国每年工业能源使用量的45-55%。分子分离是从水和空气净化到燃料和原料化学生产等许多不可或缺的应用中的重要步骤，然而，继续接受与这些工艺相关的大量碳足迹惩罚是不可持续的。开发有效的非热分离方法不仅能通过减少二氧化碳排放来实现脱碳，从而减轻对气候的破坏，还能降低这些工艺的货币成本。

苯衍生物是塑料、纤维和其他原料化学品的重要前体，苯衍生物的化学分离主要依赖于能源密集型路线，每年占全球能源消耗的50 GW，足以为4000万户家庭供电。特别是二甲苯异构体，它们都是苯的衍生物，其中的两个甲基以不同的几何形状排列，形成三种异构体分别是对二甲苯（pX）、间二甲苯（mX）和邻二甲苯（oX），由于其化学和物理特性相似，它们可能是最重要的分离挑战。因此，传统的蒸馏方法并不可行，而基于分馏结晶的分离方法需要富含pX的原料和大量的能源投入，才能在220 K的温度下运行。目前，最常见的二甲苯分离工业方法是通过模拟移动床，这是一种在20世纪60年代开发的方法，需要高温高压（分别为180 ℃和9 bar）。在环境条件下将二甲苯选择性地吸附到多孔材料中，将为二甲苯分离提供一种能源友好型替代方法，并可大幅减少能源投入和温室气体排放。然而，由于二甲苯的尺寸相似（动力学直径：pX = 6.7 Å、mX = 7.1 Å、oX = 7.4 Å），因此需要对吸附剂的孔径精度到埃级的控制。

金属有机框架（MOFs）是一类结晶多孔材料，由有机连接体连接的金属团簇或离子组成，在分离过程中显示出巨大的潜力。大多数MOFs包含平面二维（2D）连接体，这些连接体可自组装形成三维（3D）有序框架。通过单晶X-射线衍射研究得出的结构只能提供以特定方向凝固的连接体的快照，而在实际分离条件下（如环境条件），这些二维连接体有可能旋转并改变孔的几何形状和孔径大小。这些结构变化会严重影响针对分子大小为亚埃级差异的分离性能（图1）。二十面体碳硼烷是一种富硼团簇，其体积与旋转的苯环大致相同，在MOF中加入基于二十面体碳硼烷的三维连接体，可以获得与目标MOF结构相似的目标MOF，这些目标MOF具有基于苯的二维连接体，但由于碳硼烷的三维性，孔隙相对较小。除碳硼烷外，脂肪族三维连接体也被用于设计等径结构。在二甲苯分离方面，设想将连接体的维度从二维增加到三维，这样就能最大限度地减少因连接体方向不同而产生的孔隙尺寸变化，并增强对三种二甲苯异构体分离的控制。

这项研究表明，通过将连接体的维度从二维扩展到三维来实现孔隙工程，是一种可行的策略，可以最大限度地减少MOFs在活化后的结构灵活性和孔径变形。这些三维连接体生成的刚性框架可在环境条件下实现二甲苯异构体的高选择性分离。这种可推广的设计策略将在下一代MOFs吸附剂方面取得重大进展，这些吸附剂将用于需要亚埃级精度的分子分离。

内容来源：网络

责任编辑：展源

审　　核：何发

多孔材料中芳香烃的分离

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