《自然》刊文!暨南大学重磅研究实现新突破

广州日报

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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学缓慢和吸附量低的问题,未来进入工业级应用后,对于我国实现碳达峰、碳中和具有重要意义。

□ 团队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,寻求绿色的分离方案,能满足未来实现我国碳达峰、碳中和的重大需求

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。

金属-有机框架材料(Metal-Organic Framework,MOF)是一类新兴的由金属节点和有机配体通过自组装形成的具有确定组成与结构的晶态多孔材料。和传统的多孔材料(分子筛、活性碳等)相比,前者凭借其可设计剪裁的框架和丰富多样的孔道结构吸引了科研工作者的广泛兴趣。

李丹教授介绍,研究团队针对MOF材料,首次提出正交阵列动态筛分机制,成功构筑了一例基于该分离机制的框架材料(命名为JNU-3)。该材料拥有三维网格结构,沿着晶体学a轴是4.5 × 5.3 的一维通道,在一维通道两侧是排列整齐的分子口袋,分子口袋和一维通道通过一个约3.7 的动态“葫芦形”窗口相连。气体可以在一维通道中快速扩散,而分子口袋则通过“葫芦形”窗口选择性地捕获丙烯分子,从而获得迄今为止最佳的丙烯/丙烷分离效果。研究人员通过原位单晶衍射和计算模拟解析了丙烯和丙烷分子与JNU-3的相互作用的筛分机制和动态过程。

□ 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1 mL/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、6 mL/min时,丙烯的生产能力和纯度分别为34.2 L/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6.0 mL/min等摩尔丙烯/丙烷混合气,丙烯分离的生产能力也高达44.9 L/kg(99.5%)。材料性能均明显优于文献报道的材料。

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,“我们希望能尽快和工业界开展合作,将在实验室的科研成果转化到实际应用,未来能节约大量能耗,降低成本,而且所需设备要简单得多”。

他透露,接下来研究团队将继续深化研究,力争设计出更好的分离机制,“将向更高的难题发起挑战,这是作为科研工作者的初心”。

□ 投稿到发表历经一年,青年科研工作者耐住寂寞做研究

难能可贵的是,此次研究工作全部由暨南大学研究人员完成,仅有暨南大学一个完成单位。这一研究的相关工作得到了国家自然科学基金重点项目、广东省自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目和暨南大学等的大力支持。

对此,李丹教授坦言,中间遇到过很多困难,“我们想过找人合作、求助,但最终坚持独立完成”。向《自然》投稿的过程也充满波折,“当初期刊拒绝过一次,需要我们补充完善。今年2月我们再次送审,最终在5月通过评审,历经一年时间”。

暨南大学在2018年获批化学一级学科博士点,所招收的首届博士研究生曾恒为论文第一作者。研究期间,他每天早上8时从实验室一直待到晚上11时,中间很少有休息日。回忆研究过程,他说,攻克两个关键问题颇具挑战:一是,首次拿到合成结果以后,材料纯度不够,之后用大半年时间去反复实验以达到目标;二是,创造“正交阵列动态筛分策略”机理也很难,最后从实验到理论都提供了强大支撑。

至今为止,他已经在相关领域顶级期刊上发表了3篇论文,在现在的研究平台上实现了快速进步。作为他的导师,李丹教授希望他能继续开展博士后研究,未来在科研道路上走得更远,为中国的基础研究贡献一份力量。

文/广州日报·新花城记者:曾俊广州日报·新花城编辑:苏琬茜

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