近日，中國石油大學(xué)（華東）趙學(xué)波教授團(tuán)隊在乙炔和二氧化碳混合氣體分離研究方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究論文《通過吸附位點(diǎn)選擇性占據(jù)實現(xiàn)乙炔/二氧化碳高效分離》（Adsorption Site Selective Occupation Strategy within a Metal‐Organic Framework for Highly Efficient Sieving Acetylene from Carbon Dioxide）在國際化學(xué)領(lǐng)域頂級期刊Angewandte Chemie International Edition發(fā)表。中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院博士研究生楊靈志為論文第一作者，趙學(xué)波教授為通訊作者，中國石油大學(xué)（華東）為第一署名單位和唯一通訊單位。該項研究成果得到國家自然科學(xué)基金和山東省泰山學(xué)者項目資助。
乙炔（C2H2）是一種非常重要的有機(jī)化工基礎(chǔ)原料，但在乙炔生產(chǎn)過程中，通常會產(chǎn)生少量的二氧化碳（CO2）等雜質(zhì)，因此在應(yīng)用之前需要對乙炔進(jìn)行純化。由于乙炔和二氧化碳的沸點(diǎn)（乙炔沸點(diǎn)189.3 K，二氧化碳沸點(diǎn)194.7 K）、分子尺寸（C2H2為3.3 × 3.3 × 5.7 ?3，CO2為3.2 × 3.3 × 5.4 ?3）非常相近，同時具有相同的動力學(xué)尺寸（3.3 ?），傳統(tǒng)的吸附材料難以有效地對乙炔和二氧化碳的混合物進(jìn)行分離。
趙學(xué)波教授科研團(tuán)隊根據(jù)乙炔和二氧化碳在孔道中排布方式和吸附位點(diǎn)的不同，以CPL-1為母體結(jié)構(gòu)，發(fā)展了一種全新的吸附位點(diǎn)選擇性占據(jù)方法實現(xiàn)了乙炔二氧化碳混合氣的高效分離。在CPL-1中，C2H2分子主要以側(cè)向（side-on）平行的方式吸附在孔道中，而CO2分子主要以端尾相對（end-on）的方式吸附在孔道中。由于每個晶胞可容納兩個CO2分子但僅可容納一個C2H2分子，CPL-1對C2H2/CO2的分離效率較低。實驗發(fā)現(xiàn)，將氨基（-NH2）修飾在CPL-1的孔道中之后，CPL-1-NH2孔道中的氨基成功占據(jù)了CO2的吸附空間和吸附位點(diǎn)，使CPL-1-NH2中的每個晶胞最多吸附一個CO2分子。出人意料地是，修飾的氨基降低了骨架與CO2分子的吸附結(jié)合能。與此相反，CPL-1-NH2對乙炔展現(xiàn)了更強(qiáng)的結(jié)合能力，在極低壓力下即可吸附大量乙炔氣體。因此，CPL-1-NH2展現(xiàn)了極高的C2H2/CO2分離效率，采用理想吸附溶液理論(IAST)模擬計算得到的常溫常壓條件下C2H2/CO2選擇性為119，是文獻(xiàn)中C2H2/CO2分離材料的佼佼者。
通過DFT理論模擬計算發(fā)現(xiàn)，氨基屏蔽了骨架中未配位羧基氧對二氧化碳的吸附作用，導(dǎo)致了骨架與二氧化碳結(jié)合能力的降低。同時，由于乙炔分子與二氧化碳分子存在吸附空間重疊和競爭，乙炔分子一旦優(yōu)先吸附在孔道中，便極難被二氧化碳取代，從而進(jìn)一步地提高了材料對C2H2/CO2的分離能力。此外，為了進(jìn)一步評估CPL-1-NH2對C2H2/CO2混合氣體的實際分離能力，在常溫常壓條件下進(jìn)行了固定床突破實驗，CO2迅速突破床層，幾乎沒有停留，而C2H2直到28分鐘之后才突破床層，實現(xiàn)了二者的完全分離。在同樣操作條件下，重復(fù)實施了八次C2H2/CO2動態(tài)突破實驗，該團(tuán)隊新開發(fā)的吸附納孔材料CPL-1-NH2表現(xiàn)出了非常良好的穩(wěn)定性和優(yōu)異的分離性能。
該項研究成果獲得審稿專家充分肯定，審稿專家一致認(rèn)為該工作報道的吸附位點(diǎn)選擇性占據(jù)方法為實現(xiàn)混合氣體的高效分離提供了一種新策略。