南开大学联合曼彻斯特大学、中国科学院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室以及英国卢瑟福·阿普尔顿实验室、美国橡树岭国家实验室等科研机构,设计构筑分子筛限域配位不饱和中心,实现了化学选择性炔烃烯烃吸附分离。该研究成果发表于《科学》(Science)杂志上。
低碳烯烃是化学工业重要的基本原料,全球产能接近400 Mta,其生产过程会引入少量炔烃杂质,对其聚合与后续加工产生极大影响。高效去除炔烃杂质、生产聚合物级低碳烯烃对许多工业过程非常重要,是具有极大挑战性的国际前沿科学问题。当前工业上采用复杂且高耗能的选择加氢除炔工艺,虽然以金属有机框架材料为代表的多孔吸附材料可选择性吸附炔烃从而实现炔烃烯烃分离,有望替代当前昂贵繁琐的选择加氢除炔工艺。然而,基于炔烃烯烃气体分子与多孔吸附材料间复杂相互作用的吸附分离过程很难兼具高的吸附容量与分离选择性,而且多孔吸附材料自身的循环稳定性与成本也进一步制约其工业应用。
针对上述问题,该研究团队从廉价易得的材料入手,设计构筑了八面沸石(FAU)限域配位不饱和中心(Ni,Cu,Zn),利用其与炔烃分子的可逆化学成键实现炔烃烯烃化学选择性吸附分离,提出基于化学键的吸附分离新策略,从根本上解决了吸附容量与分离选择性难以兼顾的问题,并具有方法学上的普适性。
反应中间体的探测与表征是诠释化学反应机理的关键。然而,这些反应中间体的数量密度低、寿命短、结构复杂,试验研究非常困难,往往需要高灵敏度、高时间分辨以及对结构敏感的谱学等探测方法。该研究团队将高分辨率质谱与光参量振动激光器相结合,自主研制了红外光解离光谱,可原位在线高灵敏探测关键反应中间体的组成与结构,对诠释催化反应机制具有重要作用。
通过原位中子衍射、非弹性中子散射、红外光解离等先进谱学技术解析炔烃烯烃分子与Ni@FAU的相互作用机制,揭示了FAU分子筛限域的配位不饱和Ni(Ⅱ)中心与炔烃分子化学选择性成键,以及亚稳态Ni(Ⅱ)(C2H2)3与Ni(Ⅱ)(C3H4)3物种的生成。该研究结果利用先进的谱学技术从分子、团簇、表界面多层次揭示能源小分子与催化剂的化学反应规律,为新型高效吸附催化材料的设计开发提供思路,有望推动分子筛材料在相关工业吸附分离过程中的应用。
[中国石化有机原料科技情报中心站供稿]