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南開大學張振杰課題組 JACS:三維共價有機框架首次用于丙炔/丙烯高效分離
2022-12-12  來源:高分子科技

  作為一種重要的化工產品,丙烯(C3H6)被廣泛應用于生產多種化學品和聚合物,如聚丙烯、丙烯腈、環氧丙烷等。據預測,到2025年,人們對丙烯的年需求量將達到13億噸,與乙烯相當。目前在工業生產中,丙烯的制備主要是通過原油催化裂化、石腦油蒸汽裂解等方式進行,然而在這些過程中不可避免的會產生少量丙炔(C3H4)作為副產物。為了除掉丙炔以獲得聚合物級純度(≥99.95%)的丙烯,目前工業上主要采用低溫蒸餾或催化加氫等方法,但是這些傳統分離方法具有成本高、能耗大、效率低等缺點。近年來,利用多孔材料特異性吸附以實現混合氣體分離的變革性新技術,具有低能耗、效率高等優點,受到了國內外眾多科研工作者的廣泛關注。


  南開大學化學學院張振杰課題組長期從事多孔框架材料吸附/分離方面的研究,在前期工作(J. Am. Chem. Soc. 2022144, 5643-5652Chem 20228, 3064-3080)的基礎上,利用課題組獨創的八醛基單體,通過[8+4]的單體連接方式,設計合成了兩例三維COFsNKCOF-36NKCOF-37)。作者建立了解析框架聚合物復雜拓撲結構的平臺,利用連續旋轉電子衍射(cRED)、高分辨HRTEM電鏡、粉末衍射精修、氮氣吸附再結合結構模擬,最終確定了NKCOFs具有flu新拓撲。進一步,通過單組分吸附測試,作者發現NKCOFs對丙炔均表現出明顯的吸附選擇性。混合氣體的穿透實驗結果表明NKCOFs可以實現丙炔/丙烯的高效分離,進而獲得聚合物級純度的丙烯。這一工作不僅填補了COFs在丙炔/丙烯分離方面的研究空白,而且為設計合成新的三維COFs提供了借鑒。 


1通過[8+4]的單體連接方式構筑具有flu拓撲的三維COFs 


22. (a, b) NKCOFsPXRD譜圖以及結構圖示;(c) NKCOF-36的三維電子衍射數據;(d, e) NKCOFsHRTEM圖像 


3. (a, b) NKCOFs的氮氣77 K等溫吸-脫附曲線和孔徑分布; (c, d) NKCOFs298 K下丙炔、丙烯單組分吸附曲線;(e-f) NKCOFs對丙炔/丙烯(1/99, v/v)混合氣體的穿透曲線


  該工作以“Rationally Fabricating Three-Dimensional Covalent Organic Frameworks for Propyne/Propylene Separation”為題發表在《Journal of the American Chemical Society》上(DOI10.1021/jacs.2c10548)。論文的第一作者為南開大學博士畢業生靳法征(現為天津理工大學副研究員),通訊作者為張振杰研究員,文章中NKCOFs結構的確定由博士研究生林恩幫助完成,也特別感謝上海科技大學馬延航教授對cRED數據分析的指導。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c10548

  課題組網站:https://www.x-mol.com/groups/zhang_zhenjie

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(責任編輯:xu)
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