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中山大學(xué)張杰鵬教授研究組在配位聚合物多孔材料設(shè)計(jì)、合成、氣體吸附和相關(guān)機(jī)理研究取得新進(jìn)展
2017-07-07  來(lái)源:中山大學(xué)
關(guān)鍵詞:配位聚合物

  近日,中山大學(xué)張杰鵬教授研究組在《Science》發(fā)表論文"Controlling guest conformation for efficient purification of butadiene",報(bào)道了配位聚合物多孔材料設(shè)計(jì)、合成、氣體吸附和相關(guān)機(jī)理的研究成果。廖培欽博士(2016年畢業(yè)于中山大學(xué))、副研究員為第一作者,張杰鵬教授為通訊作者,共同作者還有黃寧宇(2016級(jí)研究生)、張偉雄副教授以及陳小明院士。

  張杰鵬教授與合作者致力于配位聚合物多孔材料的設(shè)計(jì)、合成、氣體吸附和相關(guān)機(jī)理研究,近年來(lái)取得了系列進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)不但發(fā)展了原位X射線單晶衍射、原位光譜表征和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)吸附分離的機(jī)理和行為進(jìn)行解釋和預(yù)測(cè),還提出多種策略用于精確調(diào)控、提高,甚至是“反轉(zhuǎn)”氣體吸附選擇性,以獲得更好的分離效果。例如,發(fā)展了多種提高二氧化碳捕獲效率的策略,實(shí)現(xiàn)了常壓、煙道氣和大氣環(huán)境中的多個(gè)吸附量記錄(J. Am. Chem. Soc.2012, 134, 17380; Energy Environ. Sci.2015, 8, 1011; Chem. Sci. 2016, 7, 6528)。提出了利用氣—固反應(yīng)機(jī)理對(duì)多孔框架進(jìn)行精確修飾的策略,設(shè)計(jì)并合成了兼具擬銅蛋白氧氣活化中心、易氧化有機(jī)配體的新型多孔配位聚合物MAF-42。通過(guò)氧氣或空氣對(duì)MAF-42的氧化,最多可以將材料的吸附選擇性改變四個(gè)數(shù)量級(jí),甚至從分子篩效應(yīng)選擇性吸附分子較小的甲烷,反轉(zhuǎn)為常規(guī)的選擇性吸附分子較大的乙烷,分別適用于天然氣中提純乙烷和甲烷(Nat. Commun. 2015, 6, 6350)。

  對(duì)于分子量相似的碳?xì)浠衔,絕大多數(shù)多孔材料(親水性)會(huì)選擇性地吸附極性更大、分子更小和具有配位能力的烯烴。但是,這些多孔材料對(duì)不飽和烯烴的吸附選擇性通常不夠高,同時(shí)這種選擇性意味著烯烴被吸附劑保留,需要多個(gè)吸附脫附循環(huán)才能達(dá)到目標(biāo)純度。雖然疏水多孔材料可以實(shí)現(xiàn)“反轉(zhuǎn)”的乙烷/乙烯吸附選擇性,理論上可以僅通過(guò)一次吸附過(guò)程得到純化的乙烯,但這兩種氣體親疏水性差別極小,因而分離效果可忽略。為此,研究團(tuán)隊(duì)提出了“親水孔道捕獲疏水分子”的概念,利用超微孔表面精確排列的氫鍵受體,高效結(jié)合極性較低的乙烷分子而非極性較大的乙烯分子,并據(jù)此合成了新型多孔配位聚合物MAF-49。常溫常壓下,將乙烯/乙烷混合物通過(guò)MAF-49填充的固定床吸附裝置后,乙烷被選擇性吸附保留,流出的乙烯純度很容易超過(guò)99.99%(Nat. Commun. 2015, 6, 8697)。

利用親水孔道捕獲疏水分子,反轉(zhuǎn)的C2烴類吸附傾向

  在上述工作的基礎(chǔ)上,研究團(tuán)隊(duì)又提出了“控制柔性客體分子構(gòu)型可反轉(zhuǎn)吸附選擇性”的概念,并對(duì)系列代表性多孔配位聚合物進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證。利用研究團(tuán)隊(duì)前期設(shè)計(jì)合成的多孔配位聚合物MAF-23(J. Am. Chem. Soc.2012, 134, 17380),實(shí)現(xiàn)了反常而且最優(yōu)的C4碳?xì)浠衔镂椒蛛x順序。常溫常壓下將C4碳?xì)浠衔锏幕旌衔锿ㄟ^(guò)MAF-23填充的固定床吸附裝置后,丁二烯最先流出而且純度很容易達(dá)到99.9%,同時(shí)避免了常規(guī)蒸餾和吸附純化過(guò)程中因加熱而產(chǎn)生的丁二烯自聚問(wèn)題。

再控制柔性客體構(gòu)型與吸附焓,反轉(zhuǎn)的C4烴類吸附傾向

  該研究工作由張杰鵬教授研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成。該工作得到了科技部973計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃、杰出青年基金、面上項(xiàng)目、以及中山大學(xué)的大力支持。

  論文鏈接:http://science.sciencemag.org/content/356/6343/1193

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