大连理工大学「国家杰青/长江学者」团队，最新Nature Chemical Engineering！

今天，小编要给大家介绍3位国家级人才，他们分别是大连理工大学的陆安慧教授，郝广平教授和中国科学技术大学王奉超教授。6月5日，这三位教授合作的论文发表在《Nature Chemical Engineering》上，下面，小编首先介绍一下这三位通讯作者，然后带大家一起拜读一下他们的最新研究成果。

陆安慧教授，博士生导师，精细化工国家重点实验室副主任，辽宁省低碳资源高值化利用重点实验室主任，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者、教育部新世纪优秀人才支持计划入选者。

聚焦能源高效清洁领域，在新型多孔炭的溶液合成及功能高效集成等科学前沿问题的研究中取得重要突破。首次提出"纳米空间限域热解"策略，解决了纳米炭易团聚粘连的科学难题；实现了纳米材料孔道与形貌的精准调变及功能高效集成，显著提升了多孔材料的二氧化碳吸附分离性能；在国际率先提出非金属硼基材料催化低碳烷烃制烯烃的路线，实现了低碳资源临氧脱氢催化转化过程的创新。已发表论文330余篇，被引29000余次，H-index为80（Google Scholar），出版英文专著2部，申请专利93件，获得授权专利57件。培养的博士生、硕士生多人获得辽宁省优秀学位论文称号

郝广平，教授，博士生导师，国家级青年人才计划入选者、辽宁省“兴辽计划”青年拔尖人才、大连市高端引进人才、洪堡学者、欧盟玛丽居里学者。主持国家人才引进计划项目、国家自然科学基金、中央高校支持计划基金、辽宁省兴辽计划项目、大连市海外高层次人才项目、中石化技术开发项目等，国家重点研发计划骨干人员。主要从事能源化工催化分离研究，研究方向包括纳米炭等多孔材料制备、气体分离与纯化、碳捕集与催化转化等。在Nat. Nanotech.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、化工学报、新型炭材料、无机盐工业等权威国际、国内学术期刊发表研究论文80余篇，他引6000余次。获辽宁省自然科学一等奖（2014 第四完成人）、辽宁省优秀博士论文（2014）、教育部博士研究生学术新人奖（2010）、中国科学院奖学金、屈伯川奖学金等奖励荣誉。

王奉超，男，中国科学技术大学近代力学系，教授、博士生导师。2007年本科毕业于中国科学技术大学近代力学系，2012年博士毕业于中国科学院力学研究所，之后在中国科学技术大学近代力学系从事博士后研究并留校工作。曾在英国曼彻斯特大学物理与天文学系诺贝尔奖得主Andre Geim教授课题组进行学术访问。研究方向为：固液界面纳米力学与限域传质究，研究内容包括：界面润湿、纳米流动、受限液体以及非常规油气资源开发中限域传质的微观力学机理。研究成果已发表在Nature、Science、Nature Materials、Physical Review Letters等期刊上，已发表SCI论文80余篇，他引7000余次。目前担任《计算力学学报》编委、《固体力学学报》特邀青年编委和《Capillarity》Associate Editor。曾入选中国科协青年人才托举工程，是中国科学院青年创新促进会会员，2019年获得国家自然科学基金委优秀青年基金资助。

论文解读

丙烯 (C3H6) 和丙烷 (C3H8) 的分离对生产聚合物非常重要，但由于它们物理性质相似，这个过程具有很大挑战性，目前也消耗大量能源。吸附技术提供了一种更节能的分离方法，但这需要开发出具有高吸附容量和选择性的稳定吸附剂。多孔碳吸附剂由于表面疏水性和化学稳定性，已经在工业气体分离中得到广泛应用。然而，多孔碳中无序微孔的无定形性质常常降低丙烯和丙烷的分离效率。通过精心选择聚合物前体和优化碳化过程，可以制备出具有精确分子选择性孔结构的多孔碳材料。然而，狭窄的孔隙不可避免地会阻碍气体扩散并降低吸附能力。在多孔碳基材表面引入筛分层，如通过化学气相沉积或聚合物涂层，可以提高气体选择性。然而，厚重的微米级筛分层限制了气体扩散速度。因此，需要一种具有纳米级筛分层并且内部孔隙充足的吸附剂，以实现高效的气体分离。

在此，大连理工大学的陆安慧教授，郝广平教授联合中国科学技术大学王奉超教授介绍用于丙烯/丙烷分离的表面筛分碳吸附剂。表面筛分碳吸附剂厚度约为 5.0nm，通过以 3.6Å 为中心的窄缝选择性地筛分丙烯。碳吸附剂下方有一个以 4.9 Å 为中心的孔隙储层，导致丙烯吸附能力高达约 2.0 mmol g −1。这种碳结构很容易自组装成水稳定且坚固的整体材料，具有高度互连的大孔，可实现有效的传质。这些结构优势共同有助于表面筛分碳即使在水中沸腾一周后仍具有较高的丙烯/丙烷分离性能。工艺模拟表明，使用该类吸附剂，通过两床六步变压吸附工艺，可以从等摩尔丙烯/丙烷混合物中获得纯度为 99.5% 和 99.9% 的丙烯，回收率分别为 82% 和 79%。相关成果以“Surface sieving carbon skins for propylene and propane separation”为题发表在《Nature Chemical Engineering》上，第一作者为Li-Ping Guo, Ru-Shuai Liu和 Jianhao Qian为共同一作

吸附剂结构设计和表征

作者开发了一种制造物理吸附剂的方法，该方法具有具有分子选择性孔的薄表面筛分碳吸附剂（SCS）。为了制造此物理吸附剂，作者在氧化石墨烯的表面上共聚苯胺、间苯二酚和甲醛，产生富含芳香族单元的聚苯并恶嗪前体。随后二维（2D）聚合物前体的热解得到带有筛分皮的3D碳纳米片。在实践中，当聚苯并恶嗪型聚合物作为受控热转化的前体时，可以以完全集成的方式与下面的孔体一起创建分子选择性碳吸附剂（图1b，c）。作者提出，SCS 是通过石墨纳米片之间的短程 π-π 相互作用原位形成的。高分辨率透射电子显微镜图像，结合 CO 2 和 N 2 气体吸附实验的结果表明，在 800 °C 下获得的样品（SCS-800）的碳吸附剂厚度约为 5.0 nm，分子选择性孔隙集中在约 3.6 Å。SCS之下有一个相互连接的孔隙体，孔隙集中在 4.9 Å 处，可作为气藏。SCS层的厚度和通过它的分子传输行为可以通过调整聚合物前体含量或改变热处理温度来定制。

图1：表面SCS的结构表征

平衡吸附和动态分离

SCS材料是一种表面选择性2D CMS。SCS-800的3.6Å和4.9Å孔隙体积比为40%，分别作为气体筛和气藏。其气体筛孔隙分数高于大多数CMS吸附剂，实现了高选择性（图2a）。作者预计这种选择性孔隙几何形状将带来独特的丙烯和丙烷分离性能。298K下的单组分吸附等温线显示，SCS-800对丙烯的吸附量在整个压力范围内均高于丙烷，1bar下达2.0mmol/g，超过了许多先进吸附剂（图2b和2c）。采用IAST评估C3H6/C3H8混合物的分离选择性，SCS-800在1bar和298K下的IAST选择性为3166，显著优于其他材料。900℃碳化的SCS-900展示了分子筛分效应，仅吸附丙烯。Clausius-Clapeyron方程计算的等量吸附热（Qst）显示，SCS-700和SCS-800的Qst值分别为25.2-31.3kJ/mol和32.0-35.0kJ/mol，低于许多基准值，便于高效再生和避免低聚。固定床突破性实验进一步证实了SCS-700和SCS-800在动态条件下分离丙烯和丙烷的能力（图2e,f）。

图2：吸附热力学和色谱柱突破数据

表面筛分机理研究

SCS-800在分离丙烯和丙烷方面表现出色（图3a）。在连续循环的突破实验中，SCS-800显示出结构稳健性和容易再生的特性(图3b)。当温度从273K升高到323K时，SCS-700和SCS-800仍保持良好的动态分离性能。这种高效分离归功于SCS材料独特的孔结构，使得C 3H 6和C 3H 8在平衡和动态条件下具有不同的扩散动力学。实验显示，SCS-800对丙烯的吸附能力在400分钟左右超过了SCS-700（图3c），且其吸附半衰期为73分钟，而丙烷即使在2000分钟后也未达到平衡。动态条件下，丙烯的扩散平衡时间约为100分钟，仅为静态扩散时间的1/10。分子动力学模拟显示(3d-f)，丙烷和丙烯在狭缝孔中的扩散角度差异显著，导致丙烷的流速远小于丙烯，显著提高了分离选择性。当孔径小于4Å时，丙烷流速显著下降，而增加孔径则会缓解丙烯的限制效应。这些结果支持了SCS材料中窄微孔的有效作用，进一步解释了其在丙烯和丙烷分离中的高效性能。

图 3 ：吸附动力学和分离机制

吸附剂放大和过程模拟

作者将SCS材料的制备规模从3.3克扩大到0.52千克，研究了其分离性能（图4a）。公斤级SCS-800在动态突破实验中显示C3H6/C3H8选择性达172，并在5bar和7bar下分别保持38和33的高动态选择性。双床真空变压吸附（VPSA）模拟显示（图4b），SCS-800的C3H6纯度可达95%，回收率83%。通过在真空变压吸附（VSA）工艺中引入回流步骤，C3H6纯度可提升至99.99%(图4d)。这些结果表明，SCS-800在工业规模下仍能有效分离丙烯和丙烷。

图4:突破性的性能和两床 VPSA 和 VSA 模拟

小结

总之，概念验证表面筛分保证了 SCS 型吸附剂的高平衡和动态选择性以及高水平的吸附能力。这些 2D SCS 材料具有耐水性，能够承受饱和水蒸气和沸水。实验和计算结果都表明，碳吸附剂层窄孔网络的精确埃级工程可以敏感地识别C 3 H 6 和C 3 H 8 之间的细微差别。VPSA-VSA 过程模拟结果证实了该系列材料在分离和生产纯度为99.99%的C 3 H 6 方面的有效性。SCS 型吸附剂结合了其简便、可扩展的合成和卓越的稳定性，为烯烃/石蜡分离提供了实用的解决方案，并可能超越精细化工、生物和医疗行业的其他分子分离。

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来源：高分子科学前沿

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