【SIFSIX-Cu-TPA】一种具有高效乙炔储存和分离性能的前所未有的柱笼型含氟混合多孔框架

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摘要：
中科院福建物质结构所吴明燕老师等报道的本篇文章（Angew. Chem. Int. Ed. 2021,60, 7547–7552）中研究了一种新型的含氟混合多孔材料SIFSIX-Cu-TPA。该材料具有独特的柱笼结构，由SiF6²⁻阴离子作为支柱连接相邻金属节点，构建出由二十面体和四面体笼组成的三维框架。该材料不仅具有高比表面积（1330 m²/g）和高乙炔吸附量（298 K和1 bar下185 cm³/g），还表现出优异的乙炔/二氧化碳分离性能（298 K和1 bar下突破时间长达68分钟/g）。这种材料的设计为平衡吸附容量和分离选择性提供了新的思路，有望在气体储存和分离领域发挥重要作用。

研究背景：
1. 行业问题：
   - 乙炔（C₂H₂）是许多化学品（如乙醛、乙酸、苯、合成橡胶和合成纤维）的基本原料，需要高纯度以提高产量和安全性。
   - 通过石油分馏和裂解生产的乙炔通常含有少量二氧化碳（CO₂），低纯度的乙炔对后续利用效率产生负面影响。
   - 由于乙炔和二氧化碳的物理性质非常相似，分子尺寸和形状差异细微，高效分离乙炔/二氧化碳仍然是一个挑战。
2. 研究现状：
   - 当前，多孔材料作为吸附剂或膜被认为是分离乙炔/二氧化碳的最佳选择，因为它们具有节能和可重复使用的优点。
   - 近年来，含氟混合多孔材料因其高选择性而受到广泛关注。这些材料通常采用MF₆²⁻（M = Si, Ti等）无机阴离子作为支柱构建二维层状结构，形成三维框架，但其乙炔吸附容量通常较低。
3. 本文创新：
   - 作者采用“交联”策略，选择SiF₆²⁻阴离子作为支柱，连接相邻的金属节点，构建出独特的柱笼结构。
   - 该结构不仅提高了材料的稳定性和比表面积，还通过小窗口和强C-H…F相互作用增强了对乙炔的选择性吸附。
   - 通过合理设计，实现了高吸附容量和高分离选择性的平衡。

实验和分析：
1. 材料合成与表征：
   - 通过扩散法合成SIFSIX-Cu-TPA，产率高达83.9%。
   - 采用粉末X射线衍射（PXRD）、热重分析（TGA）、单晶X射线衍射等手段对材料的结构和稳定性进行表征。
   - 实验结果显示，材料具有高比表面积（1330 m²/g）和优异的水热稳定性。
2. 性能结果分析：
   - 乙炔吸附量在298 K和1 bar下达到185 cm³/g，远高于其他材料。
   - 在低压力下，乙炔吸附量显著高于二氧化碳，表现出优异的分离性能。
   - 通过理论计算和单晶实验验证了乙炔和二氧化碳的吸附位点，揭示了C-H…F相互作用对吸附性能的贡献。

总结：
1. 主要研究结果：
   - 成功合成了一种新型的含氟混合多孔材料SIFSIX-Cu-TPA，具有高比表面积和优异的乙炔吸附及分离性能。
2. 创新突破：
   - 提出了一种独特的柱笼结构设计，平衡了吸附容量和分离选择性。
   - 通过理论计算和实验验证了材料的吸附机制。
3. 潜在意义和引用：
   - 该材料为乙炔储存和分离提供了新的高效解决方案，有望在工业气体分离中得到应用。

An Unprecedented Pillar-Cage Fluorinated Hybrid Porous Framework with Highly Efficient Acetylene Storage and Separation
文章作者：Hao Li, Caiping Liu, Cheng Chen, Zhengyi Di, Daqiang Yuan, Jiandong Pang, Wei Wei, Mingyan Wu, Maochun Hong
DOI：10.1002/anie.202013988
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202013988?

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