文章簡(jiǎn)介

背景介紹

圖文解析

要點(diǎn)：JNU-3a在一維通道兩側(cè)分布正交陣列動(dòng)態(tài)分子袋，分子口袋和一維通道通過(guò)一個(gè)約3.7 ?的動(dòng)態(tài)“葫蘆形”窗口相連，“葫蘆形”窗口在識(shí)別到不同尺寸的氣體分子會(huì)擴(kuò)張至合適的尺寸，使得分子袋能夠有效捕獲C₂H₂、C₃H₄和1-C₄H₆三種尺寸不同的炔烴分子。在C₂H₂、C₃H₄、1-C₄H₆和C₂H₄組成的四元混合氣體中，JNU-3a能夠捕獲這三種炔烴分子，而與金屬有機(jī)框架親和力較弱的C₂H₄則可以快速通過(guò)一維通道，從而實(shí)現(xiàn)C₂-C₄炔烴和C₂H₄的有效分離（圖1）。

要點(diǎn)：圖2a-c分別為在不同溫度下JNU-3a上C₂H₂、C₂H₄、C₃H₄和1-C₄H₆的單組分吸附等溫線，三種炔烴在低壓下都表現(xiàn)出陡峭的斜率，表明有效吸附和強(qiáng)結(jié)合親和力，而C₂H₄在整個(gè)壓力范圍內(nèi)表現(xiàn)出平緩的斜率，表明結(jié)合親和力較弱，吸附效果較差，且隨著溫度的升高，C₂H₄吸附量大幅度下降（圖2d）。與其他三種炔烴吸附等溫線相比，在298K時(shí)，差異較明顯（圖2e）。利用差示掃描熱量法分別測(cè)量了C₂H₂、C₃H₄、1-C₄H₆和C₂H₄的Q_st值，分別為-51.8、-57、-54.3和-26.5 kJ mol^?1（圖2f）。

要點(diǎn)：在對(duì)負(fù)載C₂H₂、C₂H₄、C₃H₄或1-C₄H₆后的JNU-3a進(jìn)行原位單晶檢測(cè)結(jié)果表明，所有碳?xì)浠衔飪?yōu)先吸附在分子袋內(nèi)，并且每個(gè)袋容納一個(gè)晶體學(xué)上獨(dú)特的C₂H₂、C₂H₄、C₃H₄或1-C₄H₆分子。碳?xì)浠衔锱c口袋周圍有機(jī)連接體的O/N原子表現(xiàn)出多種非經(jīng)典氫鍵相互作用（圖3c-f）。諾利曲面比較清楚地顯示了孔徑的開(kāi)口；負(fù)載C₂H₂、C₂H₄、C₃H₄和1-C₄H₆后，JNU-3a最窄直徑分別從3.7 ?增加到4.1、4.2、4.3和4.7 ?（圖3b-f）。利用DFT計(jì)算得到的C₂H₂、C₂H₄、C₃H₄和1-C₄H₆靜態(tài)結(jié)合能E_b值分別為-49.9、-27.0、-55.5和-51.6kJ mol^?1，與之前測(cè)量的Q_st值較為一致。

要點(diǎn)：圖4a為1.4 g JNU-3a在298 K下，流速為4.0 ml min?1時(shí)，對(duì)C₂H₂/C₃H₄/1-C₄H₆/C₂H₄ (1:1:1:97)混合物的穿透曲線圖，C₂H₄在24 min g^–1時(shí)迅速被洗脫，而C₂H₂、1-C₄H₆和C₃H₄被捕獲，并且分別在252、254和279 min g^?1時(shí)才穿透色譜柱。在24-252min內(nèi)，可得到超高純度（>99.9995%）的C₂H₄，產(chǎn)率為841.4 ml g^?1。經(jīng)過(guò)12次穿透循環(huán)后，各組分的穿透時(shí)間基本不變，表明JNU-3a具有耐用性和可回收性（圖4b）。在相對(duì)濕度為50%和在干燥但不同流速條件下的穿透實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，JNU-3a在這些條件下都能得到超高純度（>99.9995%）的C₂H₄，表明其具有可行性和穩(wěn)定性（圖4c-f）。

要點(diǎn)：為了探究材料潛在的工業(yè)發(fā)展，本文對(duì)107克JNU-3a進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的中試規(guī)模柱穿透實(shí)驗(yàn)，并使用氣瓶（容量為8升）進(jìn)行排氣收集（圖5a）。在室溫下可通過(guò)單個(gè)吸附步驟從不同比例的C₂H₂/C₃H₄/1-C₄H₆/C₂H₄混合物中收集高純度C₂H₄(≥99.9995%)（圖5b、d-f和）。分別通過(guò)重量測(cè)量和氣相色譜測(cè)定氣瓶中收集的C₂H₄的量和純度。特別是，在120 ml min^?1 的流速下，經(jīng)過(guò)30個(gè)循環(huán)，從C₂H₂/C₃H₄/1-C₄H₆/C₂H₄混合物(1:1:1:97)中平均獲得了76.1±1.3g高純度C₂H₄（圖5c），相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)條件下569 ml g^?1的生產(chǎn)率。

結(jié)論與展望

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s44286-023-00004-2