福建师范大学的低能耗高纯度乙烯分离研究获进展

2021年7月13日，福建师范大学的研究团队利用简单有机分子自组装氢键有机框架材料(HOFs)，首次实现在工况温度下乙烯/乙烷高效分离，推动氢键有机框架材料在高效、低能耗工业分离中的实际应用。相关研究成果发表于《自然化学》杂志。

乙烯是石化产业的核心，预计到2023年全球乙烯产能将超过200 Mt/a。在乙烯生产过程中，利用低温精馏技术分离乙烷来实现乙烯提纯，将消耗大量能量，超过全球年能源消耗的0.3%。

利用晶态多孔材料，如金属有机框架、共价有机框架和氢键有机框架材料等，实现碳氢化合物的高效吸附分离已取得诸多进展。然而，孔道柔性往往成为阻碍低能耗、高纯度乙烯分离的主要原因。一方面，乙烯与乙烷分子尺寸差别极小，要求多孔材料需具有很高的尺寸匹配度。但有机组分具有一定的结构柔性，晶态多孔材料孔道尺寸在吸附过程中容易发生改变，难以实现分子筛分离乙烯和乙烷；另一方面，随着压力增加，柔性孔道逐渐变大，导致乙烯/乙烷的共吸附现象严重。

该研究团队利用骨架柔性，提出温度和压力协同调控的“门控机制”策略，实现对乙烯/乙烷的高效分离。在设计合成新型有机小分子的基础上，通过自组装制备了一例具有独特“刚柔并济”孔道特性的氢键有机框架材料，其三重穿插氢键网络形成了可选择性筛分乙烯/乙烷的孔道结构。气体吸附和粉末衍射数据表明，弱的非经典氢键(C—H…N)有利于骨架保持一定的柔性，而连续的π…π作用可以增强骨架的刚性。

试验结果表明，随着温度升高，吸附气体所需的阈值压力增加，在工况温度(333 K)时最大程度上减少了共吸附现象，实现了最优的乙烯分离效果。单晶结构表明，乙烯分子通过弱的C—H…π相互作用吸附在孔道中。同时，这种微孔HOF材料具有优异的热稳定性，在水、强酸、强碱及一些极性有机溶剂中都能保持骨架稳定，为实现气体分离纯化的实际应用提供了必要条件。