Chem. Eur. J. ：超微孔结构中尺寸匹配诱导的低浓度乙烷捕获

西北工业大学陈凯杰教授和张秋禹教授课题组使用一例具有一维超微孔结构（4.6 Å）的金属-有机框架（IISERP-MOF2），实现了破纪录的乙烷低浓度捕获。主-客体单晶结构和计算机模拟表明，该化合物能够与乙烷（动力学直径4.4 Å）形成完美的分子尺寸匹配。

大气中痕量的乙烷(C₂H₆)不利于人类健康。全球每年释放到空气中的乙烷约为10-13 Tg(1 Tg = 10¹² g)，主要来源于天然气在生产、传输和使用过程中不可避免的气体泄露。因此，捕获空气和天然气中低浓度的乙烷是极其重要的。与传统的精馏过程相比，物理吸附具有吸附快、再生能量低等优势，有望解决这一问题。

图1 (a) 孔道尺寸与客体分子相互租用关系示意图；(b) IISERP-MOF2孔道结构示意图。

乙烷相对惰性，实现乙烷的强吸附多依赖于其与吸附剂之间的多个方向的弱范德华力和氢键作用的叠加，因此，孔道尺寸是影响吸附剂对乙烷吸附作用力的关键因素。金属-有机框架（Metal-Organic Framework，MOF）由于可调的孔结构和孔化学性质，是潜在的乙烷捕获剂。当孔道尺寸与乙烷分子尺寸相当时，乙烷与吸附剂之间的相互作用力最强，不过目前只有极少的化合物实现强的乙烷吸附。而且，随着孔道尺寸的变小，虽然吸附剂对乙烷作用力会增强，但同时会导致吸附量降低。因此，实现乙烷强吸附作用的同时想要兼顾高的乙烷吸附量极具挑战。

图2. (a)模拟乙烷分子在孔道中吸附位点；(b) 298 K、0-1 bar下的C₂H₆(黑)，C₂H₄ (红)，C₂H₂(蓝)，CO₂(绿)，CH₄(橙)，N₂(粉)吸附数据；(c)对比不同材料在低压、298 K下的乙烷吸附曲线；(d)298 K、1 bar下，C₂H₆/N₂(1/999，v/v)混合气体动态突破曲线。

这里作者筛选出一例孔道尺寸（4.6 Å）与乙烷分子（4.4 Å）完美匹配的镍基金属有机框架（IISERP-MOF2）。该化合物对乙烷的吸附热高达56.7 kJ/mol，在室温0.01 – 0.1 bar时的乙烷吸附量是目前报道的最高值，同时该化合物具有极高的C₂H₆/CH₄(50/50, v/v)吸附选择性（205）,C₂H₆/N₂(50/50, v/v)吸附选择性（376）。主-客体单晶结构和计算机模拟发现，乙烷分子能与IISERP-MOF2的多个孔壁同时形成弱相互作用。动态气体穿透实验结果表明，IISERP-MOF2能够实现对于低浓度(C₂H₆/CH₄= 5/95，v/v)，甚至痕量浓度下（C₂H₆/N₂ = 1/999，v/v)的乙烷高效捕获，表现出极高的应用潜力。

论文信息：

Low-Concentration C₂H₆ Capture Enabled by Size Matching in the Ultramicropore

Xue Jiang, Prof. Dr. Yu Wang, Jian-Wei Cao, Zi-Ming Ye, Dr. Tao Zhang, De-Xuan Liu, Kai-Lei Li, Rong Yang, Prof. Dr. Teng Wang, Prof. Dr. Qiu-Yu Zhang, Prof. Dr. Kai-Jie Chen

Chemistry – A European Journal

DOI: 10.1002/chem.202102234

Chemistry – A European Journal