Angew. Chem. ：利用自适应识别位点从三元混合物中一步获取乙烯

乙烯是石化工业行业产量最高的产品，在其生产过程不可避免的会产生额外的气体混合物，比如乙炔（C₂H₂）和二氧化碳（CO₂）等。深度去除微量C₂H₂和CO₂以生产高纯度C₂H₄在工业上具有重要意义。与传统精馏分离相比，使用多孔材料的物理吸附分离是一种有前景的替代技术，可以显著减少分离过程中的能源消耗。一般来说，从C₂H₂/C₂H₄混合物中分离C₂H₄更容易实现，而从CO₂/C₂H₄混合物中分离C₂H₄更具挑战性。这是由于C₂H₄和CO₂的四极矩仅存在细微差异（C₂H₄为1.5 × 10⁻²⁶ esu cm²， CO₂为4.3 × 10⁻²⁶ esu cm²， C₂H₂为7.2 × 10⁻²⁶ esu cm²）。所以大多数金属有机框架材料（MOF）不仅有较高的CO₂吸收量，也能有效吸附C₂H₄。

图1. FJI-H38的孔隙结构（a）和静电势图（b）。（c）C₂H₂、CO₂和C₂H₄的表面静电势和分子动力学尺寸。（d）孔径和孔道表面静电势匹配协同效应增强框架与C₂H₂、CO₂的主客体相互作用的示意图。

中国科学院福建物质结构研究所吴明燕研究员课题组利用C₂H₂，C₂H₂和CO₂分子在表面静电势和截面分子尺寸上的差异，设计了一种孔径合适、孔道表面静电势匹配良好的特殊分子陷阱（FJI-H38）来优化框架对C₂H₂和CO₂的主客体识别（图1a和1b）。该分子陷阱内精确的结合位点与C₂H₂和CO₂形成强的二氢键和Cδ+…Oδ-静电相互作用，从而增强了C₂H₂和CO₂分子的选择性捕获。此外，由于结构的柔性特性，FJI-H38可以在目标气体分子的驱动下进行自适应变形，从而进一步增加了FJI-H38与目标气体分子的相互作用。

分离实验进一步证实，FJI-H38可以在三元混合气C₂H₂/CO₂/C₂H₄中实现对C₂H₄的一步提纯，并且在不用条件下均保持较高的C₂H₄产率。机理研究表明，这种优异的分离性能是由于FJI-H38对C₂H₂和CO₂的自适应识别，其中C₂H₂和CO₂可以被框架稳定，而C₂H₄则不能。本研究不仅为高效温和净化C₂H₄气体提供了稳定的材料，也为开发更高效节能的C₂H₄净化材料提供了新的策略。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition上，文章的第一作者是博士后宋丹华。通讯作者是福建物质结构研究所吴明燕研究员和陈其辉研究员。

图2. FJI-H38对二元混合气C₂H₂/C₂H₄ (1/99)（a）和CO₂/C₂H₄ (10/90)（b）的突破曲线（298K，4 mL/min）。（c）FJI-H38对三元混合气C₂H₂/CO₂/C₂H₄（1/9/90）在不同温度下的突破曲线。（d）不同流速下FJI-H38对三元混合气C₂H₂/CO₂/C₂H₄（1/9/90）的突破曲线。FJI-H38对三元混合气C₂H₂/CO₂/C₂H₄（1/9/90）在298 K（e）和318 K（f）下的循环突破曲线。不同温度（紫色）（g）和不同流速（青色）（h）下高纯度C₂H₄（>99.95）的产量比较。（i）不同材料的高纯C₂H₄（>99.95）产量比较。（NTU-65检测温度为263 K）。

论文信息

One-Step Ethylene Purification from Ternary Mixture through Adaptive Recognition Sites

Danhua Song, Shuixiang Zou, Zhenyu Ji, Yashuang Li, Hengbo Li, Yunzhe Zhou, Prof. Cheng Chen, Prof. Qihui Chen, Prof. Mingyan Wu

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202423496