同济大学李风亭教授团队在绿色高效气体分离材料研究取得新进展

　　同济大学环境科学与工程学院李风亭教授团队与日本学士院院士、京都大学Susumu Kitagawa教授团队合作，在绿色高效气体分离材料研究方向取得进展，首次提出了孔道中“反作用”原理，实现了常温常压下二氧化碳（CO2） /乙炔（C2H2）选择性吸附、气体的绿色高效分离，可节省大量能源。近日，该研究工作发表于国际化学领域著名学术期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition），并被选为VIP(very important paper)论文。

　　在传统石油裂解、新能源汽车领域、污水资源化的厌氧产气、二氧化碳的资源化过程中，气体的分离和净化发挥着重要的作用。尤其是气体的分子大小和形态非常相近的情况下，这种分离更具有挑战性。传统的气体分离技术通常通过有机溶剂萃取、蒸馏等方式，产生大量有机溶剂废液，同时需要大量设备投资和能源消耗。而物理吸附分离技术由于其便捷性和能耗低而备受关注。吸附分离过程主要为将气态混合物通过填充吸附剂的固定床以直接产出弱吸附力的气体，而具有强吸附性的气体组分将随后在解吸阶段被回收利用。为使吸附气体分离技术更节能高效，在实际应用需要吸附剂结构设计和构象的修正，实现“拟选择性分离”：即使目标产物为强吸附性气体时，该方法仍可以通过固定床分离一步获得高纯度产物，同时可以大幅度降低能耗，降低污染。

　　C2H2是化工必不可少的重要原料。由于C2H2和CO2的分子大小、形状和沸点高度相似，因此两者分离为这一领域最具挑战性的难题之一。与CO2相比，C2H2更高的四极矩会导致C2H2与吸附剂之间产生更强的静电相互作用，从而赋予其更强吸附性性能。逆选择性分离策略对从C2H2/CO2混合气体中分离获取C2H2至关重要。而多孔配位聚合物（PCP）或金属有机框架化合物（MOF）是一类新兴的多孔晶体材料，在气体分离领域已显示出巨大的应用潜力。虽然目前已报道多例对C2H2选择性高于CO2的PCPs材料设计合成，但是具有逆选择性的吸附材料设计仍难以捉摸。虽然迄今国内外已建立了多种孔化学设计方法来提升材料对CO2的吸附选择性，但目前在室温条件下，具有CO2选择性高于C2H2的材料仍非常罕见。

　　图1. “反作用”原理实现一维孔道中高CO2 / C2H2选择性吸附

　　李风亭教授团队与Susumu Kitagawa教授团队合作，首次提出了孔道中“反作用”原理，实现了常温常压下CO2 / C2H2的高选择性（图1）。由于两种气体分子的电子云结构不同，CO2和C2H2在微孔通道中吸附时往往表现出不同的结合模式。因此，在孔道中精确编码与CO2结合位点平行的其他相互作用位点可以增强CO2框架相互作用，而不会明显改变气体分子的吸附方向。同时，所增加的额外相互作用位点可改变部分C2H2的吸附方向，结合微孔孔道的空间限制来抑制其他位点的C2H2吸附效果，最终实现了较高的CO2 / C2H2选择性。

　　图2：两种PCP材料在室温常压条件下对C2H2和CO2等摩尔混合气体的穿透分离曲线（气体流速：4 mL / min）

　　在该原理的指导下，该工作成功地合成了两种具有一维微孔结构的PCPs材料，其在室温常压条件下具有优异的CO2选择性吸附能力，在298K、1 bar的条件下CO2吸附量可高达72 mL·g-1，为目前具有逆CO2 / C2H2选择性的同类物理吸附材料最高值。两种材料均可在动态穿透实验条件下精确捕获CO2 / C2H2混合气体中的CO2，直接产出纯度高于99.5%的C2H2气体（图2），这一方法实现了在常温常压下上述气体的高效分离，节省大量能源，为工业化应用提供了新的方法。李风亭教授课题组博士后顾逸凡为论文第一作者。

　　李风亭教授团队近几年在环境功能多孔材料的设计制备、分子识别与气体分离、水体重污染物的清洁净化、超微量水体污染物检测方面开展了大量前沿工作。这些研究工作获得国家自然科学基金项目、科技部国际科技合作专项、上海市政府间国际科技合作计划和上海市高峰学科等项目支持。

　　来源：同济大学