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时间 2019-11-02 21:14:53
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重磅丨今年西北工业大学第四篇Science,出自这位85后教

西北工业大学

北京时间2019年10月11日,西理工大学科学学院陈凯杰教授的团队发表了研究论文《四组分混合物一步乙烯纯化的协同排序分离》(science,2019,366,241-246)。本研究首次将三种金属有机骨架材料用于协同吸附,实现了四组分混合气体条件下一步分离制备高纯度乙烯。该研究成果将为复杂工业分离系统下绿色低能耗工艺的研发提供一种全新的设计思路。

本文也是继以西部理工大学为传播单位的西部理工大学生态与环境保护研究中心团队于6月22日在同一期《科学》杂志上发表的三篇论文之后,我校于2019年在《科学》杂志上发表的第四篇研究论文。展示了西部工业大学在基础研究领域取得的丰硕成果和我校在“双一流”建设过程中迈出的坚实步伐。

一步提纯乙烯

高纯乙烯的制备在初级化工原料生产中起着重要作用。传统的乙烯分离方法步骤复杂,能耗高。乙烯和乙炔、乙烷、二氧化碳和其他气体的物理和化学性质非常相似,净化过程需要三个步骤——使用碱性罐分离二氧化碳;用贵金属催化剂在高温高压下将乙炔转化为乙烯或乙烷;然而,乙烯和乙烷的纯化和分离仍然取决于分馏过程,即使用不同组分的不同沸点来控制它们流出分离塔并逐步收集它们。这种分离工艺步骤多,成本高,能耗高。如何更加节能高效地分离纯化乙烯?

我校科学学院的陈凯杰教授(第一作者兼通讯合著者),与爱尔兰利默里克大学的迈克·扎沃洛科教授(通讯合著者)、利默里克大学的大卫·马登博士(合著者之一)和美国南佛罗里达大学的布赖恩·斯派特教授的研究团队(论文的主要合著者)首次实现了四组分体系中乙烯的一步高效分离和制备。其中,西工大学是论文的第一单元。本文利用三种高性能超微孔金属有机骨架材料的协同作用,在四组分混合体系中实现了高纯度乙烯的一步分离制备。研究发现,通过在单个吸附柱中有效串联三种mof材料,可以依次有效去除乙炔、乙烷和二氧化碳,从而实现吸附柱末端高纯度乙烯(> 99.9%)的一步分离收集。物理吸附分离过程可以在常温下进行,可以大大降低乙烯分离过程所需的能耗。

同时,通过分子模拟,从分子尺度上解释了系统中四种气体分子与三种m of材料相互作用的微观机理,从而详细分析了三种吸附材料选择性吸附不同气体的原因。其中,sifsix-3-ni由于其特殊的结构特征,对二氧化碳分子具有最高的吸附选择性,可以实现对二氧化碳分子的强力四齿螯合。Tifsix-2-cu-i能与乙炔分子实现强线性双键结合,从而对乙炔具有最强的吸附力;Zn-atz-ipa由于其独特的孔结构,可以在含氢原子最多的乙烷分子上形成多个弱氢键,从而对乙烷分子具有最高的吸附选择性。结合三者的优点,最终实现乙烯气体的一步分离制备。对串联吸附塔的低能耗再生性能进行了研究,证明该材料在60度活化后1小时内即可完成再生。

四种气体“密不可分”

三种mof材料协同一步分离制备乙烯

乙烯、乙炔、乙烷和二氧化碳这四种气体在生产化学原料时经常一起流动。为了实现乙烯的一步分离和制备,特定的“多孔mof材料”必须同时选择性地捕获其他三种气体,只有乙烯没有被吸附,因此是分开的。原因很简单,但实践起来并不容易。

三种吸附材料的微观结构及单组分气体的吸附数据

当我们谈论“多孔材料”时,我们会想到生活中常见的海绵。然而,陈凯杰团队使用的“多孔材料”是金属-有机框架,即通过配位键连接金属离子和有机小分子形成的原子三维有序排列的多孔晶体材料。这种材料的孔径通常小于2纳米。事实上,乙烯的分子大小不是四种气体中最大或最小的,从分子大小的角度来看,“分子筛”方法不起作用。从分子力的角度考虑,如果乙烯分子的四极矩在四种气体中最大或最小,它往往与多孔材料形成最强或最弱的吸附力,这也是分离乙烯的一种思路,但乙烯分子的四极矩也在中间。由于中性四极矩和乙烯分子的大小,大多数先前的研究集中于从两种气体中分离乙烯,很少有研究实现了从三种气体中纯化乙烯。对于每一种额外的气体,一步分离乙烯要困难得多。

三种mof材料中四种气体吸附位点的表征

如果一种材料不能在一个步骤中从四种气体中过滤出乙烯,那么对特定气体具有最强吸附力的三种材料可以分别用来捕获乙炔、乙烷和二氧化碳吗?只要乙烯没有被三种物质吸附,乙烯将首先从吸附柱的末端流出进行富集。

这个“大脑开放”的想法最终成为现实。陈凯杰团队通过长期探索和验证,最终选择了三种具有特定孔隙结构的mof材料。每种材料都可以优先吸附它“喜欢”的气体。这样,将三种吸附材料串联装入单个吸附柱中,最后一步分离纯化乙烯。与三个串联的吸附柱相比,这种串联的吸附柱加载方法有望在未来的工业应用中大大减小分离装置的尺寸和样品活化程序。

“教授85后”不是一条平坦的路。

当谈到选择回国加入西理工大学时,他说,“我出国时考虑过了,我一定会回国。也许他受到了身为军人的父亲的影响,觉得他应该在完成学业后回报和训练自己的国家。”陈教授的女儿当时出生在爱尔兰。他不假思索地为女儿选择了中国国籍。陈教授说,“西工大学是一所充满家和国家情怀的大学。它有责任和精神。这是一个人们可以稳定工作、实现抱负的地方。”自加入大学以来,陈凯杰得到了学校和学院政策的大力支持,并在团队的共同努力下开展了这项研究。论文的主要作者还包括大学的孔杰教授和张秋玉教授。这项研究还得到国家自然科学基金会、西北工业大学和中央大学的资助。

吸附柱的串联排列与竞争性气体吸附数据

西工大学的年轻教师是一位出生于1986年的年轻教授,他曾在国际顶尖学术期刊上发表论文。然而,这不是一个天才伴随光环而来的故事。你会发现科学研究和发展的道路从来都不是平坦的。

陈凯杰教授提到,他在中山大学攻读博士学位时,也遇到了科研瓶颈,对自己的成绩不满意。当时,他面临着一个艰难的选择,是放弃科研之路,还是给自己另一次机会。

那时,他想再努力一次。虽然他目前的成绩不尽如人意,但他觉得自己已经在导师陈晓明院士的研究团队中打下了坚实的科研基础和能力,并始终觉得未来会有自己的机会。最后,他选择出国深造,在爱尔兰利默里克大学从事博士后研究。“我很高兴我做出了这个决定,没有放弃。我经常告诉博士生,你们现在发送的文章比我开始时好得多,所以坚持下去。”

作为一名化学研究者,他经历了许多失败,但其中之一“快乐”的失败仍然历历在目。在爱尔兰利默里克大学博士后期间,我希望自己合成的mof材料能够完全筛选乙炔和乙烯分子。结果表明,两种气体都容易被材料吸收。当时,当我看到这样的数据时,失望就产生了。仔细检查数据后,他惊喜地发现,与传统的多孔材料相比,这种材料对乙炔的吸附力明显更强。他很好奇是什么导致了这种现象。遵循这一思路,他对系统进行了大量的优化和深入挖掘,最终顺利发表了研究成果。“保持好奇,注意细节,坚持下去。当你在田地里工作多年,却看不到前方的路时,你可能已经成功地在下一个十字路口等你了。”

谈到未来的规划,陈教授希望将这项研究扩展到能源化工领域中其他各种能源化工原料单体的分离纯化。同时,还应努力降低材料成本,模拟更复杂的工业分离系统,以便将结果带出实验室,更好地服务于现实生活。另一方面,他也希望从微观层面进一步了解分子与多孔材料相互作用的深层机制,为指导和设计高性能多孔材料提供依据,探索能源领域更多的化学问题和瓶颈,积极服务于国家的重大战略需求。

复制|高莹

图片|思哲

编辑|张逸轩

审计|付毅

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