【柱撑MOF材料】用于高效分离C2H2/C2H4的阴离子官能化锌有机骨架

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摘要：
中国科学院福建物质结构研究所吴明燕老师等报道的本篇文章（Inorganic Chemistry Communications 2022, 137, 109198）中研究了一种阴离子功能化的锌有机框架（FJI-W2）用于高效的乙炔/乙烯分离。该材料通过[Zn(TPB)SiF6]n结构设计，表现出优异的乙炔吸附能力和选择性。实验结果显示，FJI-W2在298 K和1 bar条件下对乙炔的吸附容量可达95 cm³/g，且在低压力下对乙炔的吸附能力显著高于乙烯。通过理想吸附溶液理论（IAST）计算，其对1/99和50/50体积比的乙炔/乙烯混合气体的分离选择性分别可达14.2和12.5。这些结果表明，FJI-W2在工业气体分离领域具有重要的应用潜力。

研究背景：
1）行业问题
乙炔（C2H2）和乙烯（C2H4）的分离在石油化工行业中具有重要意义。乙炔会毒化乙烯聚合催化剂，降低聚乙烯质量，因此高效的C2H2/C2H4分离对于工业生产至关重要。然而，由于两者物理性质相似，传统分离方法如低温蒸馏和溶剂萃取存在高能耗和环境污染等问题。
2）研究现状
目前，多孔材料如沸石、碳材料、氢键有机框架和金属有机框架（MOFs）被广泛用于C2H2/C2H4分离。尽管这些材料在吸附容量和选择性方面取得了一定进展，但如何平衡吸附容量和分离选择性仍是当前研究的难点。
3）本文创新
本文作者通过设计一种阴离子功能化的锌有机框架（FJI-W2），利用四连接的TPB配体构建了具有fsc拓扑结构的材料。该材料不仅具有较高的比表面积（493 m²/g）和合适的孔径，还表现出对乙炔的高吸附亲和力和优异的分离选择性，有效解决了吸附容量与选择性之间的矛盾。

实验和分析：
1）材料合成与表征
FJI-W2通过ZnSiF6在甲醇溶液中缓慢扩散到TPB配体的二甲基亚砜溶液中合成，形成白色块状晶体。通过单晶X射线衍射、粉末X射线衍射（PXRD）、热重分析（TGA）和变温X射线衍射（VT-PXRD）等手段表征了材料的结构和稳定性。结果显示，FJI-W2具有良好的热稳定性和溶剂稳定性。
2）性能分析与原因
FJI-W2对乙炔的吸附能力显著高于乙烯，主要归因于其结构中暴露的未配位氟原子和面向通道内部的吡啶环，这些结构特征使得材料与乙炔之间具有更强的相互作用。此外，通过氮气吸附测试和吸附等温线分析，进一步证实了材料的高比表面积和孔隙率对其吸附性能的贡献。

总结：
1）主要研究结果
本文成功合成了一种阴离子功能化的锌有机框架FJI-W2，其对乙炔的吸附容量和分离选择性均优于现有材料。
2）创新突破
通过设计独特的fsc拓扑结构和四连接配体，解决了传统MOFs中吸附容量与选择性之间的矛盾，实现了高效的乙炔/乙烯分离。
3）潜在意义
FJI-W2在工业气体分离领域具有重要的应用前景，有望为节能减排和环境保护提供新的解决方案。

An Anion-Functionalized Zinc-Organic Framework for Efficient C2H2/C2H4 Separation
文章作者：Shuixiang Zou, Zhengyi Di, Yuanzheng Liu, Zhenyu Ji, Hengbo Li, Cheng Chen, Mingyan Wu
DOI：10.1016/j.inoche.2022.109198
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1387700322000065

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