我院張杰鵬教授團隊在Nature Materials發(fā)表吸附分離新概念：中間尺寸分子篩
近日，我院張杰鵬教授團隊在Nature Materials發(fā)表論文，報道了配位聚合物多孔材料吸附分離研究的新進展，提出并驗證了中間尺寸分子篩概念。
圖1 2019年7月15日我院張杰鵬教授團隊在Nat. Mater.發(fā)表論文
化學混合物的分離與提純是化工行業(yè)中的能耗大戶。例如，作為合成橡膠、熱塑性塑料、樹脂等的單體原料，苯乙烯主要產(chǎn)自乙苯的催化裂解/脫氫反應(yīng)。因為該反應(yīng)受熱力學限制，產(chǎn)物中含有大量未反應(yīng)的乙苯原料，還有一些副產(chǎn)物如苯和甲苯。工業(yè)上一般需要使用多個真空蒸餾/精餾塔才能得到聚合純度（99.5%）的苯乙烯。
將傳統(tǒng)分離純化技術(shù)如蒸餾改為基于多孔材料的吸附分離有望大大降低能耗。分子篩（molecular sieve）具有分子級均勻孔徑，可以只讓小于孔徑的分子通過，可以達到理想的吸附選擇性。但是，當混合物中存在多種尺寸各異的成分，而且提純目標不是尺寸最小的成分時，分子篩的效果就會大打折扣。例如，苯乙烯的尺寸介于乙苯和苯/甲苯之間，用分子篩無法通過一次吸附獲得高純苯乙烯。
張杰鵬教授研究團隊長期致力于配位聚合物多孔材料的設(shè)計、功能和機理研究，已發(fā)展了“動力學控制的柔性”（J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 6010; Natl. Sci. Rev. 2018, 5, 907）、“親水孔道捕獲疏水分子”（Nat. Commun. 2015, 6, 8697）、“控制客體分子構(gòu)型調(diào)控吸附選擇性”（Science 2017, 356, 1193）等多種吸附分離理論/概念。最近，他們又提出了一種新的吸附分離原理，稱為中間尺寸分子篩（intermediate-sized molecular sieve，iSMS），能在復(fù)雜混合物只吸附中間尺寸的目標成分，解決類似苯乙烯分離提純等重大需求。為實現(xiàn)這種特殊的吸附行為，多孔材料必須具有合適的柔性，從而結(jié)合熱力學原理（太小的分子吸附能不足以打開柔性框架）和動力學原理（太大的分子尺寸超過打開的孔窗）排除非目標成分。他們設(shè)計合成了一例具有限制柔性的配位聚合物多孔材料MAF-41，實現(xiàn)了在乙苯、苯乙烯、甲苯和苯混合物中超高效純化苯乙烯（選擇性3300），只需一次吸附脫附循環(huán)，即可獲得純度99.9%+的苯乙烯。MAF-41還具有超高熱穩(wěn)定性（500 oC）、水穩(wěn)定性（沸水，pH 3?14）以及超疏水特性，有利于實際應(yīng)用。
圖2 傳統(tǒng)分子篩效應(yīng)和中間尺寸分子篩效應(yīng)對比
Nature Materials雜志同期發(fā)表了Morris教授（University of St Andrews）的新聞評述論文（http://dx.doi.org/10.1038/s41563-019-0437-x），高度評價了該項工作。
論文第一作者為周東東博士（2016年畢業(yè)于我院，現(xiàn)為我院特聘副研究員），張杰鵬教授為通訊作者。論文合作者包括中山大學國家超級計算廣州中心的陳品工程師、杜云飛教授以及顏輝博士。
該工作得到了陳小明教授的大力支持，以及國家自然科學基金、廣東省珠江人才計劃“本土創(chuàng)新團隊”和廣東省重點區(qū)域研發(fā)計劃項目的資助。
論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1038/s41563-019-0427-z
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