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中山大学陈小明院士、张杰鹏教授研究团队:配位聚合物多孔材料在化工吸附分离领域的研究与应用
2017-12-07 来源:中国流变网    点击次数:22次    

  中山大学陈小明院士、张杰鹏教授研究团队长期从事功能配位化学和配位聚合物晶体工程研究,在化工分离与吸附等领域取得重要突破。该团队在Science, Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., Adv. Mater., Acc. Chem. Res., Chem. Rev., Chem. Soc. Rev.等期刊发表论文400余篇,(含73篇《科学》、《美国化学会志》和德国《应用化学》等IF > 8.6期刊论文),SCI他引累计超过3万次,获授权专利8项。陈小明院士于1996年获国家自然科学基金杰出青年科学基金资助,1999年获聘长江学者特聘教授,2009年当选中国科学院院士;张杰鹏教授于2012年获国家自然科学基金杰出青年科学基金资助,2015年获聘长江学者特聘教授;张伟雄副教授于2017年获国家自然科学基金优秀青年科学基金资助。

陈小明院士指导研究生实验工作

  近日,中山大学化学学院陈小明院士、张杰鹏教授团队就配位聚合物多孔材料设计、合成、气体吸附和相关机理的研究成果作相关介绍。

  丁二烯是产量最大的化工产品之一,其生产过程中需要耗费大量的能量和有机溶剂对成分复杂的C4烃类混合物进行蒸馏分离。利用多孔材料进行吸附分离是一种潜在的高效分离提纯方法,但分子较小、极性较大的丁二烯容易被吸附,在脱附过程中不但容易被残留的其它C4烃类污染,而且容易受热聚合。他们前期已经发现可以利用合理设计的超微孔亲水多孔材料对C2烃类实现反常的极性选择。针对丁二烯分子柔性显著小于其它链状C4烃类的特点,他们希望能进一步通过特殊的孔道形状控制这些柔性客体分子的构型,利用构型变化的能量差获得反常的吸附选择性和最优的C4烃类吸附分离顺序。

张杰鹏教授

张伟雄副教授

  研究团队对10例代表性配位聚合物多孔材料的计算机模拟和实验结果证实,形状尺寸合适的离散孔洞最有利于控制柔性客体分子的构型和并反转吸附选择性,而连续的孔道对客体分子的吸附扩散又是必须的。通过模拟计算,发现具有准离散孔洞的柔性多孔材料MAF-23在两种要求中取得平衡,实现了反常而且最优的C4烃类混合物吸附分离顺序。常温常压下将丁二烯、丁烯、异丁烯和丁烷混合物通过MAF-23填充的固定床吸附装置后,吸附最弱的丁二烯最先流出而且纯度很容易达到99.9%,同时可避免常规纯化方法中因加热而产生的丁二烯自聚问题。相关工作发表于国际权威杂志《科学》上,受到了广泛的关注。

  乙烯、丙烯和1,3-丁二烯等小分子烯烃是世界上最大宗几种化工产品/原料。为了将它们和其它相似饱和/不饱和烃类副产品分离,需要使用高能耗和环境不友好的低温高压或溶剂萃取精馏技术。

  基于分子几何和物理性质差别,多孔材料可以对混合物中各组分产生差异性吸附,但常规多孔材料对分子量相似的烃类分子缺乏识别机制,吸附选择性通常很低。配位聚合物是一种新型多孔材料,具有结构多样、可设计、易修饰等优势,可以利用氢键、配位键等识别机制增强对不饱和烃的吸附作用,或利用精确控制的孔径排除对较大的饱和烃的吸附。近年来,配位聚合物多孔材料已经在小分子烃类混合物分离领域取得了系列令人瞩目成果。

  虽然亲水性多孔材料都选择性吸附极性更大的不饱和烃类,利用超微孔表面精确排列的氢键受体,有可能高效识别并结合极性较低的烷烃而非极性较大的烯烃,即实现选择性的反转。目前该团队的研究结果表明,主客体超分子作用、主体柔性和客体柔性都对反转吸附选择性至关重要。这些策略有望用于设计合成具有更理想吸附分离效果的新型多孔材料。

  团队未来将继续瞄准配位聚合物多孔材料化学与晶体工程国际前沿与国家重大需求,充分发挥团队的研究特色与整体优势,与国外广泛合作,围绕新型化工吸附分离材料、新型绿色产能材料等方面的基础及应用基础研究,来满足我国经济社会高速发展对清洁可持续能源的需求,以及广大人民群众对环境和健康的更高要求等。 

  论文链接:http://science.sciencemag.org/content/356/6343/1193

 
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