Angew. Chem.:分子挤压诱导类海绵大环晶体的客体释放

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多孔材料可以通过其内部孔隙在分子水平上吸附客体,实现气体或碳氢化合物的分离。利用多孔材料进行吸附分离有望取代传统比较耗能的分离方式比如蒸馏和精馏等。然而,节能的吸附分离过程中最大的能量消耗来自于客体解吸过程,传统多孔材料吸附剂的客体解吸通常依赖外力作用,包括惰性气体吹扫,加热或真空处理,许多时候往往伴随着高能耗,与节能环保的分离目标背道而驰。因此,对于任何一种吸附剂而言,实现节能环保的分离过程关键在于如何通过更加简便高效的方式实现选择性捕获气体的解吸与释放以及吸附剂的高效再生和循环利用。

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近日,南京大学揭克诚研究员与马晶教授合作,发现了一类可以通过分子挤压诱导客体释放的类海绵大环晶体材料。这种材料在吸附过程中具有非多孔自适应晶体 (NACs)的性质,可以作为吸附剂选择性吸附分离吡啶/甲苯共沸物。更为独特的是,在脱附过程中,蒸汽分子可以不进入晶体内部取代吸附质,而通过在晶体的表面挤压诱导晶体内部的分子与堆积产生形变,压缩大环空腔并释放客体,实现节能且高效解吸。该行为非常类似挤压海绵的行为,区别在于这种挤压是通过晶体表面的超分子相互作用而非真正的压力,并且材料的形变仅仅发生在分子和堆积态上,而不是宏观结构形变。

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作者在气固相吸附的过程中发现无溶剂的a相EtP5Q1晶体能够在吸附乙酸乙酯的过程中转变为无溶剂的b相,这一有趣的现象,引起了他们的思考:负载客体的EtP5Q1晶体能否同样实现在乙酸乙酯的氛围下向无溶剂的b相转变?通过时间相关的核磁以及粉末X射线衍射等实验,证明了乙酸乙酯就像一只手作用在EtP5Q1晶体表面,通过施加一个分子水平的弱外力 (超分子相互作用力),在不进入吸附剂内部的同时释放客体。作者进一步通过分子动力学模拟,证明了在乙酸乙酯的氛围下,负载客体的EtP5Q1空腔逐渐坍塌,客体释放形成无溶剂的b相。

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总而言之,该团队发现了一种全新的解吸机制—分子挤压诱导的客体释放。这种前所未有的脱附方式不仅打破了传统吸附分离的固有模式,还提供了一种更加节能,环保的思路方法,展现出广泛的应用潜力和研究价值。

文信息

Molecular-Squeeze Triggers Guest Desorption from Sponge-Like Macrocycle Crystals

Linnan Zhang, Lifeng Zheng, Yingying Song, Jingwei Huang, Hailong Ning, Prof. Dr. Leyong Wang, Prof. Dr. Jing Ma, Prof. Dr. Kecheng Jie

文章的第一作者是南京大学的博士研究生张林楠和博士生郑利锋


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202420048


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