近日，華南理工大學(xué)肖靜研究員、唐浩教授團(tuán)隊與福建師范大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作開展研究，首次報道了一種利用門控大環(huán)晶體（GMC）進(jìn)行動態(tài)篩分純化丙烯的新方法，展示了GMC在丙烯純化中的巨大應(yīng)用潛力，并為實現(xiàn)更節(jié)能環(huán)保的氣體純化技術(shù)提供了新思路。該項成果發(fā)表于化學(xué)領(lǐng)域頂級國際期刊Chem上，華南理工大學(xué)為第一署名單位。
丙烯是全球產(chǎn)量最大的基礎(chǔ)化工原料之一，年產(chǎn)量超過1億噸。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，丙烯和丙烷常常難以分離，導(dǎo)致純化過程復(fù)雜且耗能巨大。為實現(xiàn)高效的丙烯純化并降低能耗，開發(fā)綠色丙烯/丙烷分離技術(shù)已成為實現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的重要挑戰(zhàn)性課題，也被視為未來改變世界的主要七大分離技術(shù)之一。
本項研究發(fā)現(xiàn)，表現(xiàn)出門控效應(yīng)的GMC材料在分離丙烯和丙烷方面展現(xiàn)出卓越的性能，其丙烯/丙烷動力學(xué)選擇性高達(dá)76.7，并且在常溫下展現(xiàn)出快速的丙烯吸附動力學(xué)。
實驗結(jié)果顯示，GMC對丙烯的吸附速率顯著高于丙烷，僅需6.3分鐘即可達(dá)到吸附平衡。這主要得益于其獨(dú)特的門控機(jī)制，在分子通過晶體孔道時，特定的甲氧基團(tuán)會產(chǎn)生暫時性的門控運(yùn)動，有效放大丙烯和丙烷的擴(kuò)散速率差異。為了進(jìn)一步量化認(rèn)識GMC門控的柔性，研究團(tuán)隊結(jié)合吸附動力學(xué)，建立了丙烯/丙烷分子在GMC上的擴(kuò)散系數(shù)~壓力數(shù)學(xué)模型，該指數(shù)模型明顯區(qū)別于常規(guī)剛性吸附材料。
與傳統(tǒng)吸附材料相比，GMC材料具備多項優(yōu)點，展示了優(yōu)秀的實際應(yīng)用潛力。該材料在常溫下僅需動態(tài)真空即可完全再生，再生過程的能耗低，在多次循環(huán)使用中表現(xiàn)出極佳的穩(wěn)定性和再生能力，并且在高溫和高濕環(huán)境下也能保持穩(wěn)定，其熱穩(wěn)定性和抗?jié)裥詢?yōu)于許多傳統(tǒng)吸附材料，在各種極端工況下仍能有效工作。
除了有效分離丙烯和丙烷外，GMC對其它共存的小分子氣體，如乙烯、乙烷、甲烷、二氧化碳、氮?dú)獾?，也表現(xiàn)出排斥性，因而在多組分氣體混合物的丙烯純化中具有獨(dú)特優(yōu)勢。
肖靜研究員、唐浩教授與福建師范大學(xué)陳邦林教授為該成果共同署名作者。華南理工大學(xué)博士生羅家柱為第一作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊國昆、張國楨參與研究。
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https://doi.org/10.1016/j.chempr.2024.06.007
