2018年我校李晉平教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表通過(guò)空位修飾策略，實(shí)現(xiàn)乙烷/乙烯反轉(zhuǎn)的標(biāo)志性論文（Science, 2018, 362, 443. 17033）后，團(tuán)隊(duì)在烷烴吸附材料研發(fā)與應(yīng)用方面不斷深入探索，助力形成了全球范圍內(nèi)烷烴吸附材料研究的熱潮。截止2024年12月，新增報(bào)道316種烷烴吸附材料，體系拓展至不同MOF、共價(jià)有機(jī)框架（COF）、氫鍵有機(jī)框架（HOF）、分子籠等。然而，從烷烴吸附劑設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，基于傳統(tǒng)熱力學(xué)活性位點(diǎn)構(gòu)筑、動(dòng)力學(xué)擴(kuò)散孔道調(diào)節(jié)或尺寸篩分等策略，實(shí)現(xiàn)烯烴中低濃度烷烴雜質(zhì)的高選擇性分離仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。2018年《Science》文章報(bào)道的Fe₂O₂(dobdc)材料乙烷/乙烯IAST選擇性4.40，從未實(shí)現(xiàn)突破，長(zhǎng)久以來(lái)，如何實(shí)現(xiàn)烷烴吸附劑選擇性與吸附容量提升，是學(xué)術(shù)界高度關(guān)注的焦點(diǎn)與難點(diǎn)。

我?；瘜W(xué)與化工學(xué)院李晉平教授團(tuán)隊(duì)李立博教授課題組在該領(lǐng)域持續(xù)攻關(guān)，時(shí)隔六年在高選擇性烷烴吸附材料研發(fā)方面取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)乙烷/乙烯、丙烷/丙烯選擇性與吸附容量的顯著提升，相繼在國(guó)際化學(xué)知名期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》和化工知名期刊《AIChE Journal》發(fā)表題為 “Ethane Triggered Gate-Opening in a Flexible-Robust Metal-Organic Framework for Ultra-High Purity Ethylene Purification”和“Optimizing supramolecular interactions within metal-organic frameworks for ultra-high purity propylene purification” 研究論文。

圖1. TYUT-17材料中的乙烷誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)形變“柔性-剛性”吸附機(jī)制

研究工作一：研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道一例具有乙烷（C₂H₆）觸發(fā)“開(kāi)門(mén)”效應(yīng)的（flexible-robust MOFs）柔性-剛性金屬有機(jī)骨架TYUT-17材料Zn(ad)(min)（圖1）。結(jié)構(gòu)中的3-甲基異煙酸配體受到客體分子刺激時(shí)，能夠發(fā)生特異性旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)與C₂H₆分子高度匹配的孔道截面和多重超分子相互作用，實(shí)現(xiàn)室溫條件下C₂H₆吸附容量（2.8 mmol/g，0.1 bar）、C₂H₆/C₂H₄吸附選擇性（6.41，0.1 bar）和分離產(chǎn)率（C₂H₆/C₂H₄，10/90，77.4 L/kg）的新突破（圖2）。

圖2. TYUT-17與目前報(bào)道的性能最佳乙烷選擇吸附劑的性能比較

通過(guò)烷烴誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)形變的“柔性-剛性”吸附機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目前已報(bào)道乙烷選擇性吸附劑三個(gè)維度上的全面超越。不僅如此，基于TYUT-17對(duì)乙烷顯示出的優(yōu)異選擇性與吸附親和力，該吸附劑可以從三元C2混合物中一步分離得到超高純度C₂H₄（>99.995 %），分離產(chǎn)率高達(dá)39.2 L/kg，為特高純乙烯的分離與提純工藝提供了一條新的技術(shù)路徑。論文通訊署名單位太原理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，李晉平教授團(tuán)隊(duì)的李立博教授為通訊作者，博士研究生張璐為第一作者。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202418853

圖3. DMOF系列材料孔籠空間的超精細(xì)調(diào)控

研究成果二：為實(shí)現(xiàn)丙烯分離產(chǎn)率與丙烷凈化深度的提升，研究團(tuán)隊(duì)從孔籠空間優(yōu)化的角度（圖3），提出利用“主-客體”和“客-客體”超分子相互作用的協(xié)同吸附機(jī)制，實(shí)現(xiàn)C₃H₈和C₃H₄雜質(zhì)的同時(shí)深度分離。制備的Ni-DMOF-DM材料在常溫常壓下對(duì)C₃H₈和C₃H₄表現(xiàn)出極高的吸附容量（分別為 171 和 197 cm³/g）和創(chuàng)紀(jì)錄的C₃H₈/C₃H₆分離選擇性（2.74）（圖4）。氣體分離實(shí)驗(yàn)表明，Ni-DMOF-DM 材料可實(shí)現(xiàn)直接從C3三元混合物中分離得到超高純度C₃H₆（C₃H₈ < 0.005% 和C₃H₄ < 1.0 ppm），產(chǎn)率達(dá) 152.14 L/kg。

圖4. Ni-DMOF-DM與目前報(bào)道的性能最佳丙烷選擇吸附劑的性能比較

本研究提出的“主-客體”和“客-客體”超分子協(xié)同作用為高性能丙烷吸附劑的設(shè)計(jì)制備與性能調(diào)控提供了理論依據(jù)，也為特高純丙烯的分離與提純工藝提供了新的技術(shù)路徑。論文通訊署名單位太原理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，李晉平教授團(tuán)隊(duì)的王勇副教授和李立博教授為論文的共同通訊作者，博士研究生李童為論文的第一作者。

原文鏈接:  https://doi.org/10.1002/aic.18646

以上兩個(gè)研究工作，獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金（重大項(xiàng)目課題、面上、優(yōu)青）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題等項(xiàng)目資助；感謝南京工業(yè)大學(xué)孫林兵教授、上?？萍即髮W(xué)章躍標(biāo)教授和南開(kāi)大學(xué)張振杰教授提供的原位單晶衍射SCXRD與原位粉末衍射PXRD的技術(shù)支持！