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南开大学张振杰课题组 JACS:三维共价有机框架首次用于丙炔/丙烯高效分离

时间:2022-12-14 来源: 浏览:

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作为一种重要的化工产品,丙烯( C 3 H 6 )被广泛应用于生产多种化学品和聚合物,如聚丙烯、丙烯腈、环氧丙烷等。据预测,到2025年,人们对丙烯的年需求量将达到13亿吨,与乙烯相当。目前在工业生产中,丙烯的制备主要是通过原油催化裂化、石脑油蒸汽裂解等方式进行,然而在这些过程中不可避免的会产生少量丙炔(C 3 H 4 )作为副产物。为了除掉丙炔以获得聚合物级纯度(≥99.95%)的丙烯,目前工业上主要采用低温蒸馏或催化加氢等方法,但是这些传统分离方法具有成本高、能耗大、效率低等缺点。近年来,利用多孔材料特异性吸附以实现混合气体分离的变革性新技术,具有低能耗、效率高等优点,受到了国内外众多科研工作者的广泛关注。

南开大学化学学院张振杰课题组长期从事多孔框架材料吸附 / 分离方面的研究, 在前期工作( J. Am. Chem. Soc.   2022 , 144 , 5643-5652 Chem   2022 , 8 , 3064-3080 )的基础上,利用课题组独创的八醛基单体,通过 [8+4] 的单体连接方式,设计合成了两例三维 COFs NKCOF- 36 NKCOF- 37 )。作者建立了解析框架聚合物复杂拓扑结构的平台,利用连续旋转电子衍射( cRED )、高分辨 HRTEM 电镜、粉末衍射精修、氮气吸附再结合结构模拟,最终确定了 NKCOFs 具有 flu 新拓扑。进一步,通过单组分吸附测试,作者发现 NKCOFs 对丙炔均表现出明显的吸附选择性。混合气体的穿透实验结果表明 NKCOFs 可以实现丙炔 / 丙烯的高效分离,进而获得聚合物级纯度的丙烯。这一工作不仅填补了 COFs 在丙炔 / 丙烯分离方面的研究空白,而且为设计合成新的三维 COFs 提供了借鉴。
 

1 . 通过 [ 8+4] 的单体连接方式构筑具有 flu 拓扑的三维 COFs
 

2 . 2. (a, b) NKCOFs PXRD 谱图以及结构图示; ( c) NKCOF-36 的三维电子衍射数据; ( d, e ) NKCOFs HRTEM 图像
 

3 . (a, b) NKCOFs 的氮气 77 K 等温吸 - 脱附曲线和孔径分布 ;  (c, d) NKCOFs 298 K 下丙炔、丙烯单组分吸附曲线; (e-f) NKCOFs 对丙炔 / 丙烯 ( 1/99, v/v) 混合气体的穿透曲线
该工作以“ Rationally Fabricating Three-Dimensional Covalent Organic Frameworks for Propyne/Propylene Separation ”为题发表在《 Journal of the American Chemical Society 》上( DOI 10.1021/jacs.2c10548 )。论文的第一作者为南开大学博士毕业生 靳法征 (现为天津理工大学副研究员),通讯作者为 张振杰 研究员,文章中 NKCOFs 结构的确定由博士研究生林恩帮助完成,也特别感谢上海科技大学马延航教授对 cRED 数据分析的指导。

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c10548

课题组网站:

https://www.x-mol.com/groups/zhang_zhenjie

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