锆基MOF孔道限域强化及其低碳烃吸附分离性能

摘要

从天然气中回收C2/C3低碳烃组分以及乙烯/乙烷、丙烯/丙烷的分离纯化具有重要的工业价值，吸附分离技术可以在常温常压下高效分离低碳烃。对金属有机骨架（Metal-Organic Framework,MOF）材料进行次级结构单元（Second Building Units,SBU）调控，构筑限域强化的碱性孔道化学微环境并引入新的吸附位点，可以提升其吸附分离性能。文章用三乙烯二胺（TED）取代Zr-TBAPy中SBU配位的水分子，制备了具有更大烷烃吸附容量和选择性的TED@Zr-TBAPy。其中，TED_1/3@Zr-TBAPy表现出优先吸附烷烃的特征，丙烷/丙烯、乙烷/乙烯的理想吸附溶液理论（Ideal Adsorption Solution Theory,IAST）选择性分别为1.32、1.49，比Zr-TBAPy提高了15.7%和3.5%。常温常压下，丙烷/甲烷和乙烷/甲烷的IAST选择性分别达到287和14，比Zr-TBAPy提高了116%和19.7%，超过大部分已报道的同类材料。机理研究表明，TED的引入提高了孔道的限域吸附作用，同时引入对烷烃具有更强吸附作用的碱性新吸附位点TED，两者协同强化了孔道对烷烃的C—H^δ+…N^δ-静电相互作用，从而提高其对低碳烃的吸附选择性，进而为提高MOFs吸附剂的低碳烃分离性能提供了一种可行的通用策略。

关键词

烷烃选择性 / 金属-有机骨架 / 次级结构单元调控 / 吸附作用 / 低碳烃

基金资助

国家自然科学基金项目（基金号22378138）; 广东省基础与应用基础研究基金项目（基金号2021A1515010119）