2019年10月12日
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  本报讯(记者 姜泓)在国际上首次利用三种金属有机框架材料协同吸附,实现了在四组份混合气体条件下,一步分离制备高纯度乙烯,西工大“85后”陈凯杰教授团队这项研究成果为复杂工业分离体系下绿色低能耗工艺的研发提供一种全新的设计思路。10月11日,该研究成果在《科学(Science)》杂志上发表。

  多孔材料提纯乙烯显威力

  乙烯的高纯制备在初级化工原料生产中有着举足轻重的作用,传统的乙烯分离方法步骤繁多、成本较高且能耗高。如何用更加节能高效的方式,实现乙烯的分离和纯化呢?

  “想要实现乙烯的一步分离制备,就要使特定的‘多孔MOF材料’选择性地同时捕获其他三种气体,只有乙烯不被吸附,从而单独分离出来。这样的道理非常简单,实践起来却绝非易事。”陈凯杰教授说。

  提到“多孔材料”,我们会联想到生活中常见的海绵。不过陈凯杰团队所使用的“多孔材料”是金属有机框架材料,即由金属离子和有机小分子通过配位键连接形成的原子三维有序排布的多孔晶体材料。该类材料中孔道大小通常小于2 纳米。事实上,乙烯的分子尺寸在四种气体中并不是最大或最小,从分子尺寸角度想到的“分子筛”办法行不通。从分子作用力的角度思考,如果乙烯分子的四极矩在四种气体中最大或最小,就倾向于和多孔材料之间形成最强或最弱的吸附力,也是一个分离乙烯的思路,但乙烯的分子四极矩恰恰也处于中间。

  “正因为乙烯分子四极矩和尺寸都居中的特性,以往的研究大多都聚焦在两种气体中分离乙烯,极少数研究实现了三种气体中的乙烯提纯。因为每增加一种气体,想要一步分离制备乙烯的难度就大得多。”谈到当初研究的设想时,陈凯杰教授说:“如果使用一种材料无法一步将乙烯从四种气体中过滤出来,那么能否使用对特定气体有最强吸附力的三种材料,分别来捕获掉乙炔、乙烷、二氧化碳?只要乙烯在这三种材料中都不被吸附,那么乙烯就会最先从吸附柱末端流出富集。”

  这个“脑洞大开”的想法最终成为了现实。陈凯杰团队通过长时间的探索与验证,终于选定了三种具有特异性孔道结构的MOF材料。每种材料都能优先吸附自己“喜欢”的一种气体。这样再把这三种吸附材料以串联的形式装填进单一吸附柱中,并最终实现了乙烯的一步分离纯化。这种串联式的吸附柱装填方式,相较于串联排布三个吸附柱,能够有望在未来的工业应用中大大降低分离装置的尺寸和样品活化程序。

  科研道路并非一路坦途

  这位在国际顶级学术期刊上发表论文的西工大青年教师陈凯杰,是一名1986年出生的年轻教授。“我的科研和成长的道路永远不是一片坦途,不是天才顶着光环的故事。”陈凯杰教授提及,作为一名化学研究者,他曾经历过许多次失败,不过其中一次“幸福”的失败却让他记忆犹新。在爱尔兰利莫瑞克大学读博士后期间,满怀希望地期待自己合成的一个MOF材料能够实现乙炔和乙烯分子的完全筛分。可结果出来发现两种气体都轻松地被材料所吸附。当时看到这样的数据,失望油然而生。在仔细查看数据后,他惊喜地发现,相比于常规多孔材料,这个材料对乙炔的吸附作用力要明显强一些。

  他很好奇是什么原因导致了这样的现象?顺着这样的思路,他对体系进行了大量的优化和深入挖掘,并最终将此研究成果顺利发表。“保持好奇,注重细节,贵在坚持,当你在一个领域深耕多年却看不到前路的时候,可能成功已经在下一个路口等你。”陈凯杰教授深有感触。

  谈到未来的规划,陈凯杰教授希望将这项研究拓展到能源化工领域内其他多种能源化工原料单体的分离纯化工艺中。同时,也要努力实现材料的低成本化,模拟更加复杂的工业分离体系,让成果有机会从实验室走出来,更好地服务于现实生活。“也希望能进一步探索更多能源领域中的化工难题和瓶颈问题,积极服务国家重大战略需求。”陈凯杰教授表示说。

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