近日，我校化學(xué)學(xué)院張杰鵬教授團(tuán)隊(duì)在Nature Materials發(fā)表論文，報(bào)道了配位聚合物多孔材料吸附分離研究的新進(jìn)展，提出并驗(yàn)證了中間尺寸分子篩概念。論文第一作者為周東東博士（2016年畢業(yè)于我校化學(xué)學(xué)院，現(xiàn)為我校化學(xué)學(xué)院特聘副研究員），張杰鵬教授為通訊作者。論文合作者包括中山大學(xué)國(guó)家超級(jí)計(jì)算廣州中心的陳品工程師、杜云飛教授以及顏輝博士。
化學(xué)混合物的分離與提純是化工行業(yè)中的能耗大戶(hù)。例如，作為合成橡膠、熱塑性塑料、樹(shù)脂等材料的單體原料，苯乙烯主要產(chǎn)自乙苯的催化裂解/脫氫反應(yīng)。因?yàn)樵摲磻?yīng)受熱力學(xué)限制，產(chǎn)物中會(huì)含有大量未反應(yīng)的乙苯原料，還有一些副產(chǎn)物，如苯和甲苯。工業(yè)上一般需要使用多個(gè)真空蒸餾/精餾塔才能得到聚合純度（99.5%）的苯乙烯。
將傳統(tǒng)分離純化技術(shù)如蒸餾改為基于多孔材料的吸附分離有望大大降低能耗。分子篩（molecular sieve）具有分子級(jí)均勻孔徑，可以只讓小于孔徑的分子通過(guò)，能達(dá)到理想的吸附選擇性。但是，當(dāng)混合物中存在多種尺寸各異的成分，而且提純目標(biāo)不是尺寸最小的成分時(shí)，分子篩的效果就會(huì)大打折扣。例如，苯乙烯的尺寸介于乙苯和苯/甲苯之間，用分子篩無(wú)法通過(guò)一次吸附獲得高純苯乙烯。
傳統(tǒng)分子篩效應(yīng)和中間尺寸分子篩效應(yīng)對(duì)比
張杰鵬教授研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于配位聚合物多孔材料的設(shè)計(jì)、功能和機(jī)理研究，已發(fā)展了“動(dòng)力學(xué)控制的柔性”（J.Am.Chem. Soc.2008, 130,6010;Natl. Sci. Rev.2018,5,907）、“親水孔道捕獲疏水分子”（Nat. Commun.2015,6,8697）、“控制客體分子構(gòu)型調(diào)控吸附選擇性”（Science 2017,356,1193）等多種吸附分離理論/概念。最近，他們又提出了一種新的吸附分離原理，稱(chēng)為中間尺寸分子篩（intermediate-sized molecular sieve，iSMS），能在復(fù)雜混合物只吸附中間尺寸的目標(biāo)成分，解決類(lèi)似苯乙烯分離提純等重大需求。為實(shí)現(xiàn)這種特殊的吸附行為，多孔材料必須具有合適的柔性，從而結(jié)合熱力學(xué)原理（太小的分子吸附能不足以打開(kāi)柔性框架）和動(dòng)力學(xué)原理（太大的分子尺寸超過(guò)打開(kāi)的孔窗）排除非目標(biāo)成分。他們?cè)O(shè)計(jì)合成了一例具有限制柔性的配位聚合物多孔材料MAF-41，實(shí)現(xiàn)了在乙苯、苯乙烯、甲苯和苯混合物中超高效純化苯乙烯（選擇性3300）的目標(biāo)，只需一次吸附脫附循環(huán)，即可獲得純度99.9%+的苯乙烯。MAF-41還具有超高熱穩(wěn)定性（500 oC）、水穩(wěn)定性（沸水，pH 3?14）以及超疏水特性，有利于實(shí)際應(yīng)用。
Nature Materials雜志同期發(fā)表了Morris教授（University of St Andrews）的新聞評(píng)述論文（http://dx.doi.org/10.1038/s41563-019-0437-x），高度評(píng)價(jià)了該項(xiàng)工作。
該研究工作得到了陳小明院士的大力支持，以及國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計(jì)劃“本土創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”和廣東省重點(diǎn)區(qū)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的資助。
