从烃类异构体中分离直链烷烃对于提高汽油的辛烷值至关重要。相比于传统分离方法，吸附分离技术具有生产效率高、工艺简单、避免引入其他杂质等优点。目前，利用分子筛、金属-有机框架（MOF）等多孔材料吸附分离短链碳氢化合物的相关研究已经获得了长足的发展。但对于传统吸附剂而言，吸附质在孔道中的扩散速率通常正比于温度的变化，工业生产中为了促进传质过程，往往需要在高温下进行分离作业，这不仅会消耗大量的能量，而且也会明显降低吸附剂的吸附容量。
近年来，能够响应外部刺激而产生可逆结构转化的动态MOF材料在吸附分离领域受到了广泛关注。该类材料在结构转化过程中通常伴随着孔道和官能团位置的连续变化，其对于分离具有相似物化性质的混合物至关重要。此外，与常规刚性多孔材料相比，动态MOF材料常表现出“门效应”和“呼吸效应”等特性，有望进一步降低吸附分离过程中的能耗。然而，由于原位测试技术等限制，对于动态MOF材料在结构转化过程中的主客体相互作用及构效关系的研究，仍然存在巨大挑战。▲图1. 动态MOF材料吸附分离过程示意图。图片来源：Angew. Chem.-Int. Edit.
近日，南开大学卜显和教授和罗格斯大学李静教授合作，报道了一类客体分子诱导的具有呼吸效应的动态MOF材料，其可逆的结构转化伴随着连续的孔径变化，可以有效分离己烷异构体，特别是对正己烷具有优良的吸附分离性能。▲图2. 客体分子诱导的动态MOF材料“呼吸”效应。图片来源：Angew. Chem.-Int. Edit.
通过原位粉末衍射（PXRD）测试，作者追踪了该动态MOF材料在吸附过程中的结构变化。结合吸附实验结果，发现低温更有利于正己烷分子将材料的孔道打开，转化成具有较大孔径的状态，从而更有利于正己烷的扩散。吸附动力学测试进一步表明：在一定温度范围内，正己烷的吸附扩散速率与温度呈异常的反比例关系，该特性有助于提高材料在低温下的吸附分离性能并降低能耗。▲图3. 动态MOF材料对己烷异构体的吸附以及吸附过程中的结构变化（原位粉末衍射测试）。图片来源：Angew. Chem.-Int. Edit.
为测试材料的实际分离性能，作者进行了等比混合蒸汽固定床穿透分离实验（正己烷与3-甲基戊烷）。实验结果进一步证实了一定范围内较低的工作温度能够获得更好的分离效果。▲图4. 动态MOF材料固定床穿透实验。图片来源：Angew. Chem.-Int. Edit.
此外，作者还通过实验对比分析了动态MOF材料中卟啉、蒽环等不同官能团对吸附性能的影响。▲图5. 不同官能团对动态MOF材料吸附性能的影响。图片来源：Angew. Chem.-Int. Edit.
在本工作中，动态MOF材料特有的吸附速率与温度之间的反比例关系，为进一步降低吸附分离过程中的能耗提供了新的视角；同时，原位PXRD测试的灵活运用，为类似动态结构的研究提供了新的实验依据。这一研究成果近期发表在Angew. Chem.-Int. Edit.上，文章第一作者为北京工业大学助理研究员陈强博士。High-Efficiency Separation of n-Hexane by A Dynamic Metal-Organic Framework with Reduced Energy Consumption
Qiang Chen, Shikai Xian, Xinglong Dong, Yanyao Liu, Hao Wang, David H. Olson, Lawrence J. Williams, Yu Han, Xian-He Bu＊ and Jing Li＊Angew. Chem.-Int. Edit.,2021. DOI: 10.1002/anie.202100707https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202100707陈强，北京工业大学助理研究员。师从卜显和教授，2014年于南开大学获博士学位，随后在南开大学-天津化学化工协同创新中心进行博士后研究工作。2016年获博士后国际交流计划派出项目，加入罗格斯大学李静教授课题组进行博士后研究工作。2019年6月起就职于北京工业大学。
研究领域为金属-有机框架（MOF）材料的设计合成及性能研究。目前已在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Appl. Mater. Interfaces, Inorg. Chem., J. Mater. Chem. A, Cryst. Growth Des.等国内外重要期刊杂志上发表20余篇相关研究论文，申请并获授权7项关于MOF材料合成及性能相关的发明专利，参与撰写科学出版社出版的专著《配位聚合物化学》，承担、参与多项国家自然科学基金及北京市自然科学基金项目。
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