暨南大学团队实现分离材料新突破

暨南大学团队实现分离材料新突破
2021年07月23日 15:30 新浪财经综合

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  原标题:在《自然》发表最新研究成果

  暨南大学团队实现分离材料新突破

  来源:广州日报

  曾俊

  广州日报讯 (全媒体记者曾俊)7月21日,国际顶尖学术期刊《自然》(Nature, 2021, 595, 542–548)在线发表了暨南大学化学与材料学院陆伟刚教授和李丹教授研究团队的研究成果《Orthogonal-array dynamic molecular sieving of propylene/propane mixtures》,该研究提出了一种新的分离机制,成功解决了传统分子筛吸附动力缓慢和吸附量低的问题,未来进入工业级应用之后,对于我国实现碳达峰、碳中和具有重要价值。

  成功设计出至关重要的“口袋”

  丙烯是全球产量最高的基础有机化工原料之一,年产量超过1亿吨。工业上,丙烯主要通过石油催化裂解或丙烷脱氢来制备。聚合级丙烯主要用于生产聚丙烯。放眼四周,小到聚丙烯(PP)塑料瓶、晶莹剔透的“有机玻璃”和婴儿的尿不湿,大到家电外壳和汽车零部件等都是丙烯深加工的产物,聚丙烯在防疫中更大显身手,是防护口罩、防护服熔喷无纺布专用料,也是注射器、护眼罩和输液瓶等的生产原料。

  然而,丙烷裂解生产丙烯这一技术在工业上不能直接得到聚合级(高纯度)的丙烯(≥99.5%)。为了去除残留的丙烷,工业上往往以高昂的设备投资和巨大的能量消耗作为代价。因此,在当今,迫切需要开发出低能耗的丙烯纯化技术。分子筛是一种很成熟的分离材料,已被广泛应用于石油化工、煤化工、空气分离与净化、环境治理等多个领域。但是,分子筛吸附剂的应用也存在许多挑战,例如,精确的孔径设计困难,吸附动力学缓慢和吸附量低。

  为解决上述问题,暨南大学化学与材料学院陆伟刚教授和李丹教授研究团队提出了一种新的分离机制:正交阵列动态筛分,在由金属节点和有机配体通过自组装形成的一类具有确定组成与结构和多样化孔道的新兴晶态多孔材料金属-有机框架上,成功解决了传统分子筛吸附动力学缓慢和吸附量低的问题。

  2019年3月,研究人员首次设计、开发并合成的基于该筛分机制的金属-有机框架材料(被命名为JNU-3),其一维通道带有嵌入的动态分子口袋,可以在本质上不同的压力下高效地分离丙烯/丙烷(1/1)混合物,每公斤JNU-3可以得到53.5升聚合级(99.5%)的丙烯,具有迄今为止最佳的丙烯/丙烷分离性能,实现了丙烯/丙烷分离领域的突破性进展,为设计下一代分离材料指出了新的方向。

  外国同行第一时间表示祝贺

  研究还发现,丙烯/丙烷(50/50)混合物在298 K下以1mL/min的总流速流过填充床,丙烷首先通过,未被丙烯污染,收集到的丙烷纯度不低于99.99%。一段时间后吸附剂达到饱和,丙烯发生穿透,出口气流中的丙烯和丙烷迅速达到等摩尔浓度,表现出JNU-3材料的优异突破性。在丙烯的脱附过程中,根据丙烯的解吸曲线,混合气体流速为1.6mL/min时,丙烯的生产能力和纯度分别为34.2L/kg(99.5%)、53.5 L/kg(99.5%),即使在50%相对湿度的潮湿条件下,流速为6.0mL/min等摩尔丙烯/丙烷混合气,丙烯分离的生产能力也高达44.9L/kg(99.5%)。材料性能均明显优于目前全球所有文献报道的材料。

  据了解,获知这一研究成果发表后,7月21日晚,来自英国剑桥大学、美国北得克萨斯州大学的教授给团队写邮件表示祝贺,称他们为该领域提供了全新的思路和可借鉴的价值。

  陆伟刚/李丹教授研究团队长期致力于超分子配位功能材料的分子设计、合成技术、晶体工程和材料创制,探索这些材料在能源、环境和生物医药等领域的应用。已发展了“柔性框架材料诱导锲合机制(JNU-1)”和“笼状腔体多层筛分机制(JNU-2)”等新型能源气体吸附分离理论和概念。

  李丹教授表示,该研究可能被广泛应用至石油化工、疫情防控、医疗卫生等多个领域,“我们期待能尽快和工业界开展合作,将在实验室的科研成果转化为实际应用,能节约大量能耗,降低成本,而且所需设备要简单得多”。

  他透露,接下来团队将继续深化研究,力争设计出更好的分离机制。

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责任编辑:王珊珊

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