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【材料】构建具有官能团对的超微孔共价有机框架纳米片用于高效膜分离乙炔/乙烯

2023-01-29 23:441040admin

乙烯是石油化工产品聚乙烯的重要原料，生产乙烯过程中伴随着乙炔的产生，然而乙炔将毒化乙烯聚合催化剂，严重影响聚乙烯产品纯度；因此，乙炔/乙烯分离显得十分重要。传统分离方法依赖于能量密集型技术，例如：低温蒸馏；发展多孔膜材料并进行膜分离有望实现低能耗、高效率分离乙炔/乙烯。
近年来，共价有机骨架（COF）因其孔道结构可设计、稳定性高及易于成膜等特性，成为多孔材料及膜技术领域的一个科学前沿。目前已报道的COF膜材料普遍存在乙炔分子识别能力不足的问题，从而导致乙炔/乙烯分离选择性偏低。针对上述问题， 邹小勤 教授/ 朱广山 教授团队通过单体结构设计构建了 一种具有官能团对的超微孔二维COF材料，并采用自上而下的策略剥离成超薄纳米片，制备成COF薄膜用于高效分离乙炔/乙烯 （图1）。

图1. 纳米片COF膜分离乙炔/乙烯示意图（A）、TP-IQD COF的晶体结构（B）、纳米片的扫描电镜（C）及原子力显微镜（D）照片
研究者设计了分别含N, O官能团的三醛基间苯三酚（TP）和5, 8-二氨基异喹啉（IQD）单体，成功合成了骨架上共存N-O功能对的超微孔TP-IQD COF。平面结构的单体有利于COF层的π-π堆积，大的IQD单体以及[2+3]连接模式易于超微孔的形成，N, O官能团在孔道内壁可构成功能对，这些结构特征赋予了此种COF在物质传输中兼具分子筛分效应和选择性吸附的优势。吸附结果表明，TP-IQD COF在1 bar、298 K下的乙炔吸附量为46 cm 3 g -1 、乙炔/乙烯选择性为14，远高于单一官能团的COFs。此外，采用机械研磨法将该二维COF材料剥离成超薄纳米片，并与商用高分子6FDA-ODA浇筑成TP-IQD/6FDA-ODA混合基质膜。所制备的COF膜在乙炔/乙烯气体分离中表现出优异的乙炔渗透性和乙炔/乙烯渗透选择性，分别是聚合物膜的430%和160%，进一步证实了官能团对的构建策略有利于制备具有乙炔/乙烯分离导向的COF膜材料（图2）。

图2. TP-IQD/6FDA-ODA膜的扫描电镜图（A, B）与对单组份/双组份乙炔/乙烯的分离结果（C, D）
在本项工作中，邹小勤教授/朱广山教授团队以乙炔/乙烯分离为功能导向，发展了一种官能团对构建策略大幅提升超微孔COF材料的乙炔/乙烯膜分离性能，该策略为今后设计合成具有高性能COF分离膜提供了一种新思路。
该工作近期发表在 Angewandte Chemie International Edition 上，文章一作为东北师范大学博士生 李佳璐 和 程泽梁 。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Ultramicroporous Covalent Organic framework Nanosheets with Functionality Pair for Membrane C 2 H 2 /C 2 H 4 Separation
Jialu Li, Zeliang Cheng, Ziyang Wang, Junchao Dong, Haicheng Jiang, Wenjian Wang, Xiaoqin Zou, Guangshan Zhu
Angew. Chem. Int. Ed ., 2023 , DOI: 10.1002/anie.202216675
导师介绍
邹小勤
https://www.x-mol.com/university/faculty/63934
朱广山
https://www.x-mol.com/university/faculty/63935
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