【TYUT-20】一种具有定制形状匹配相互作用的MOF材料，用于常温下去除氩气提纯氧气

首页 > 行业动态 > 【TYUT-20】一种具有定制形状匹配相互作用的MOF材料，用于常温下去除氩气提纯氧气

太原理工大学李立博老师团队报道的本篇文章（Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202504324）中研究了一种新型金属-有机框架（MOF）材料TYUT-20，通过设计球形形状匹配的相互作用实现了常温下氩气（Ar）的高效选择性吸附，从而解决了高纯氧（O₂）生产中难以去除微量氩气的难题。研究团队通过单晶衍射分析和分子模拟揭示了TYUT-20对氩气的独特识别机制，并在动态突破实验中展示了其优异的高纯氧生产能力（>99.99%），为高纯氧的便携式生产提供了新思路。

研究背景
1.行业问题：高纯氧（>99.5%）在医疗、航空航天和电子等领域的应用需求日益增长，但传统低温蒸馏法能耗高、设备复杂，而压力摆动吸附（PSA）技术虽然便携且能耗低，却难以高效去除氧气中的微量氩气（Ar），因为氩气和氧气的分子尺寸和动力学直径非常接近（Ar为3.54 Å，O₂为3.46 Å），导致传统分子筛分和热力学吸附策略难以区分两者。
2.研究现状：现有研究多集中于通过开放金属位点（OMS）或分子筛分实现气体分离，但对于氩气的选择性吸附研究较少。例如，OMS可以高效吸附不饱和烃，但对惰性氩气的吸附能力较弱；而分子筛分因氩气和氧气的尺寸接近而效果不佳。
3.本文创新：作者提出通过设计球形形状匹配的相互作用来选择性吸附氩气，利用TYUT-20的非极性球形孔道与氩气分子的球形结构匹配，最大化范德华力，从而实现氩气的高效吸附和氧气的排斥。这种策略不仅突破了传统吸附机制的限制，还显著提升了氩气的选择性和吸附容量。

实验和分析
1. 材料合成：
通过溶剂热法合成了TYUT-20，使用3-氨基异烟酸和Co²⁺离子作为构筑单元，形成一维非极性球形孔道（孔径为5.2 × 6.4 Å²）。
2. 结构表征：
1) PXRD验证了材料的晶体结构与单晶XRD数据一致
2) 热重分析显示其热稳定性高达623 K
3) N₂吸附-脱附等温线表明其比表面积为450 m²/g，孔径分布集中在6.0 Å。
3. 应用性能测试：
1) 气体吸附性能：在298 K和1 bar下，TYUT-20对氩气的吸附容量达到14.5 cm³/g，远高于氧气（12.0 cm³/g）和其他对比材料（如Co-MOF-74为4.5 cm³/g，HKUST-1为3.9 cm³/g）。
2) IAST计算显示其在5/95 Ar/O₂混合气中的选择性为1.54，亨利常数计算的选择性为1.46。
3) 动态突破实验：在固定床柱实验中，TYUT-20能从5/95 Ar/O₂混合气中高效去除氩气，获得>99.99%的高纯氧，生产率达到6.6 L/kg。
4. 机理分析：
1) 形状匹配机制：单晶衍射分析显示氩气分子被锚定在孔道中心，通过多个C-H···Ar和C≡N···Ar相互作用实现稳定吸附，范德华力的平衡显著增强了氩气的选择性。
2) 理论计算支持：DFT计算和GCMC模拟表明，TYUT-20对氩气的静态吸附能（16.9 kJ/mol）高于氧气（10.5 kJ/mol）和氮气（13.3 kJ/mol），且氩气的扩散能垒（0.295 eV）低于氧气（0.439 eV），进一步验证了其优异的氩气吸附性能。

总结
1.TYUT-20通过形状匹配相互作用实现了常温下氩气的高效选择性吸附，吸附容量达14.5 cm³/g，Ar/O₂选择性为1.54，在动态实验中能生产>99.99%的高纯氧，生产率为6.6 L/kg。
2.首次提出利用球形孔道的形状匹配相互作用实现氩气的选择性吸附，突破了传统吸附机制的限制，为非极性气体的识别提供了新思路。
3.该材料有望应用于便携式高纯氧生产，特别是在极端条件下的医疗和航空航天领域，同时为其他非极性气体的分离提供了理论依据。

A Metal-Organic Framework with Tailored Shape-matched Interactions towards Ambient-temperature Argon Removal for Oxygen Purification
文章作者：Puxu Liu, Jianhui Li, Furong Yan, Jing-Hong Li, Lifei Yin, Yutao Liu, Yang Chen, Rui-Biao Lin, Jinping Li, Xiao-Ming Chen, Libo Li
DOI：10.1002/anie.202504324
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202504324

本文为科研用户原创分享用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。