Small Structures:具有开放金属位点的超微孔金属氰基配合物用于高效丙烯丙烷分离

丙烯是石油化工行业最重要的化工原料之一,是制造聚丙烯、丙烯腈、环氧丙烷等各种大宗化工产品的原料。全球每年丙烯产能超过1亿吨。工业上丙烯生产主要通过长链烃类高温裂解,而生产丙烯中往往会含有丙烷杂质,因此从丙烯丙烷混合物中分离出高纯度丙烯对于下游化工产品的合成至关重要。然而由于这两种气体在物理化学性质(如沸点)方面的高度相似性,基于固态吸附剂的吸附分离技术被认为具有取代工业上高耗能低温蒸馏技术的潜力。科学家对分离丙烯丙烷的新型吸附剂的设计包括在吸附剂中引入对丙烯具有强相互作用的吸附位点,通过像π电子络合之类的作用,以提高丙烯吸附工作容量;或通过调控超微孔材料的孔径介于4-6埃以实现丙烯/丙烷分子筛分。不过上述两种方法难以在吸附容量和选择性间达到平衡。

为了解决上述问题,得克萨斯大学圣安东尼奥分校陈邦林教授团队与中山大学林锐标教授合作,利用便宜易得的硝普钠作为前驱体合成了具有开放金属位点的超微孔硝普镍(Ni-NP)材料,并实现该材料用于丙烯丙烷的高效分离。该团队发现所得硝普镍材料同时具有高丙烯吸附容量和丙烯/丙烷的吸附选择性。

图1:a) 硝普酸配体的局部配位环境。 b-d)Ni-NP结构中存在的三种不同笼状孔道。

图2:a) 77 K 氮气单组分吸附等温线。 b) 基于 NLDFT 模型的 Ni-NP 孔径分布。 c)丙烯和丙烷在 298 K 时的单组分吸附等温线。 d)丙烯和丙烷的吸附焓。

结论:

团队报道了一例具有开放金属位点的超微孔材料硝普镍 (Ni-NP),可在室温常压条件下实现丙烯丙烷的高效分离。 Ni-NP具有高达10.5的丙烯/丙烷选择性和79.9 cm3 g-1的丙烯吸附容量。色散校正密度泛函理论 (DFT-D) 计算表明,该材料对丙烯的高选择性吸附主要归因于丙烯双键与金属位点的强主客体相互作用以及在限域空间空间内与氰基配体的多个弱氢键作用。研究还发现,在50/50丙烯丙烷混合气体突破实验中硝普镍实现了高达2.30 mol kg-1的高丙烯动态捕获容量。同时,该材料可以通过简单的室温水相搅拌合成,更突出了其在工业丙烯/丙烷分离方面的应用潜力。

论文信息:

Efficient Separation of Propylene from Propane in an Ultramicroporous Cyanide-Based Compound with Open Metal Sites

Yi Xie, Yanshu Shi, Hui Cui, Rui-Biao Lin*, Banglin Chen*

DOI: 10.1002/sstr.202100125

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100125