Chem. Asian J. :稳定的氟功能化In-MOF提升了C2/CH4筛分能力

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长期以来,天然气被认为是较好的替代传统化石燃料的能源。为得到高纯气体以提高天然气的商业价值和燃烧效率,同时减小分离工程的能耗,高效、节能、低成本的分离技术亟需突破。综合文献分析,金属-有机骨架(MOFs)或者多孔配位聚合物(PCPs)结构的功能化修饰有望提升混合气体分离性能。


近日,宁夏大学刘翔宇课题组以一例三维多孔In-MOF(QMOF-2)材料为研究对象,通过配体氟功能化合成了一例三维结构的MOF—QMOF-2F。为了研究氟原子的引入对其气体分离性能的影响,将两种MOFs材料分离性能进行了对比研究。结果表明,活化后的两个样品表现出较强的C2气体吸附,但对甲烷的吸附不明显。与未功能化的QMOF-2相比,氟原子的引入,使得QMOF-2F材料具有更好的筛分效应,有效的提高了MOF材料的C2/CH4分离性能,QMOF-2F的C2/CH4纯气体吸附选择性比未功能化的材料提高了一倍。这种独特的效应使该材料呈现出优异的甲烷净化等属性。系统的PXRD分析证明,该材料具有非常出色的稳定性。

图1.氟功能化In-MOF可有效提高C2烃与甲烷的分离能力

此外,本文利用密度泛函理论(DFT)研究了乙炔的吸附位点和吸附机理,阐明了两种不同的相互作用力:(i)乙炔分子通过-CH基团与 InO8 簇形成静电相互作用,(ii)乙炔分子不仅与配体中的O原子形成C-H⋯O的氢键(3.05 Å),由于排列平行,乙炔的炔基与苯环之间也有强烈的π⋯π相互作用。同时,在QMOF-2F中,乙炔分子与配体FBDC2−中的氟原子形成C-H⋯F氢键(2.88 Å),同时氟原子朝向孔道中心,使结构有些许改变,增强了乙炔分子与结构间的相互作用力,相应地,其吸附能也表现出更强更稳定。

图4. C2H2分子在QMOF-2F中的模拟。

这项研究证明了含氟官能团修饰通道的策略可有效增强吸附C2烃对甲烷的选择性,提供了一种利用取代基效应构建高性能吸附分离材料的方法。

论文信息:

Enhanced Sieving of C2-Hydrocarbon from Methane by Fluoro-Functionalization of In-MOF with Robust Stability

Yan Guo, Chen Liang, Chengcheng Zhang, Jesús Ferrando-Soria, Yu Gao, Jiahui Yang, Xiangyu Liu* and Emilio Pardo

文章第一作者为宁夏大学教师郭燕和硕士研究生梁晨,通讯作者为宁夏大学刘翔宇副教授。


Chemistry – An Asian Journal

DOI: 10.1002/asia.202101220


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