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中山大学《自然·材料》:具有中间尺寸筛分效应的MOF
更新日期:2019-07-19  

        分子筛由于通过尺寸限制机制将所有较大的分子完全排除在外,因此具有超高的选择性和较低的再生能量。然而,它可以吸附所有小于孔径的分子,因此复杂混合物分离效果不佳。

    近日,中山大学张杰鹏带领的研究团队报道了一种具有中间尺寸筛分(iSMS)效应的金属有机框架(MAF-41),更大或更小的分子均无法通过MOF孔道。同时该MOF具有超疏水性和超高的热/化学稳定性。相关研究成果“Intermediate-sized molecular sieving of styrene from larger and smaller analogues”于715日在线发表在《自然·材料》期刊上(Nat. Mater., 2019, DOI: 10.1038/s41563-019-0427-z)。

        1.MAF-41可以实现苯乙烯的选择性吸附,完全排除了较大的乙苯(超过了最大孔径大小)和较小的甲苯/苯分子(没有足够的吸附能来打开腔)。混合吸附实验表明,苯乙烯分离选择性在乙苯/苯乙烯混合物中达1250,乙苯/苯乙烯/甲苯/苯混合物中苯乙烯选择性达3300,,比前人报道值高几个数量级。在单次吸附-解吸循环中,可产生纯度为99.9%+的苯乙烯。

        2. MOF结构有一定的柔性,因此孔道有一定的变化范围。在MOF吸附相应分子时,都有一定的热量放出,且热量放出与分子尺寸成正相关性。作者通过设计恰到好处的MOF结构,有合适的结构柔性,只有苯乙烯吸附的时候释放的能量足以打开MOF孔道,而更小的分子吸附能太小而不能“芝麻开门”从而实现筛分。

        3. MOF材料能稳定至500℃,且有超疏水性能。

 

1a图示传统的分子筛分过程,大分子因为动力学限制无法通过孔道,而小分子却都能发生吸附。

b图显示中间尺寸筛分效应的基本原理。恰到好处的MOF柔性结构可以在开与闭合两种状态下切换。大分子在开启状态下也无法通过,而小分子的阻挡实现却是通过主客体相互作用不足,吸附放热过小,不足以将MOF孔道从关闭切换到开启状态。

2:混合物分离性能。

    (综合纳米人研之成理 公众号报道)