研究背景

乙烯是合成诸多乙烯下游聚合产品过程中重要的化工原料之一，其高纯度制备在工业生产中有着举足轻重的地位。传统的乙烯分离流程过于繁琐，需要三步的高能耗分离工艺。

使用物理吸附分离技术可以大幅降低能耗，从另一方面讲，从多元复杂混合气体中实现乙烯的一步提纯也将大大简化工艺流程。但是由于乙烷，乙烯，乙炔，二氧化碳分子具有相似的理化性质，利用物理吸附剂从三元或四元混气中一步高效提纯乙烯仍是一个巨大的挑战。基于其强大的孔结构可设计性，金属-有机框架（Metal-orangic Framework, MOF）已经成为极具潜力的新一代物理吸附剂。

2019年陈凯杰教授课题组提出串联吸附剂分离技术（如图1），使用SIFSIX-3-Ni、Zn-atz-ipa和TIFSIX-2-Cu-i三种物理吸附剂串联首次实现了乙烷/乙烯/乙炔/二氧化碳四元混合体系中乙烯的一步提纯（Science 2019, 366, 241–246）。但在工业分离过程中，使用单一物理吸附剂实现复杂体系的分离仍然具有明显的工艺优势（如装填工艺简单，放大实验可行性高）。

研究成果

基于上述问题，陈凯杰教授团队设想是否能将乙烷，乙炔和二氧化碳与MOF特异性作用位点整合在一起？基于此思路，研究团队联合利莫瑞克大学Mike Zaworotko教授课题组首次实现了乙烷，乙炔和二氧化碳同时在单一MOFs中的选择性吸附，实现了乙烷/乙烯/乙炔/二氧化碳四元混合体系中聚合物级乙烯（＞99.9%）的一步高效提纯，为新型乙烯分离材料的设计提供了重要思路。研究成果以“One-step ethylene production from a four-component gas mixture by a single physisorbent”为题在《Nature Communications》上发表并入选当期Editors’ highlight。

陈凯杰，西北工业大学化学与化工学院教授、副院长、博士生导师，2008年在郑州大学获得学士学位后，保送进入中山大学继续深造，2013年底获得无机化学博士学位，2014年前往爱尔兰利莫瑞克大学进行博士后研究。2018年3月加入西北工业大学任教授/博导，2019年入选“中国十大新锐科技人物”，并于2020年晋升长聘教授。在国际顶级学术期刊Science, Chem, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci.等期刊发表论文50余篇，主持国家和省部级项目多项。主要研究方向包括多孔晶态材料的精准设计及相关工业分离应用，主客体化学，小分子识别等。课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/Kai-Jie_Chen（点击“阅读原文”，访问课题组主页）

图文解析

图1 三种乙烯净化技术的比较

图2. Zn-atz-oba样品的吸附、混合气体穿透和稳定性实验

作者对超微孔金属-有机框架Zn-atz-oba进行了吸附性能分析，单组分气体吸附表明相比于乙烯，Zn-atz-oba在298 K下对乙烷、乙炔和二氧化碳有更强的作用力（Qst顺序：C2H6>CO2>C2H2>C2H4）。气体穿透实验验证了材料的实际分离性能，研究团队发现，将乙烷/乙烯、乙烷/乙烯/乙炔、乙烷/乙烯/乙炔/二氧化碳气体混合物分别通入Zn-atz-oba样品的固定床，乙烯均以大于99.9%的纯度优先流出固定床，与待分离杂质气体（乙烷、乙炔、二氧化碳）的突破时间均存在明显的差异。。此外，在潮湿气氛下（RH = 52%），Zn-atz-oba仍然能保持高效四元混合气体分离性能，验证了该材料在实际工况下应用潜力。

图3. 分子模拟确认了四种气体分子在Zn-atz-oba中的作用位点

此外，分子模拟验证了研究团队的构想，乙烷被多重弱分子间作用束缚，乙炔与框架通过较强的氢键作用，而二氧化碳受到了两个羧酸氧的“静电螯合”作用，这三种作用模式使得乙烯的吸附作用力在四种气体中最低。

结论与展望

在这项研究中，作者报道了一个可以实现乙烷，乙炔和二氧化碳同时选择性吸附的超微孔MOF，实现了乙烷/乙烯/乙炔/二氧化碳四元混合体系中聚合物级乙烯（＞99.9%）的一步高效提纯，为未来乙烯纯化材料的设计和相关多组分化工分离工艺的研发提供了重要的理论基础和备选材料。

致谢

文献

https://doi.org/10.1038/s41467-021-26473-8

One-step ethylene production from a four-component gas mixture by a single physisorbent

Jian-Wei Cao, Soumya Mukherjee, Tony Pham, Yu Wang, Teng Wang, Tao Zhang, Xue Jiang, Hui-Juan Tang, Katherine A. Forrest, Brian Space, Michael J. Zaworotko & Kai-Jie Chen

Nat. Commun., 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-26473-8

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