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米乐体育登陆:中山大学张杰鹏探究新式多孔资料可完成“回转”吸赞同高效别离

发布时间:2022-08-09 12:11:48 | 来源:米乐体育官网网页版 作者:米乐体育官方下载安装

  “在化工业生产中,蒸馏等热驱动的别离工艺耗能乃至超越了全球总能耗的 10%。” 正如中山大学化学学院张杰鹏教授所说,削减工业耗能、削减工业污染始终是全球开展的重要课题,寻觅低耗能、清洁环保的生产方法也一直是研讨人员探究的方向。

  多年来, 张杰鹏教授从事多孔配位聚合物的规划组成与功用研讨,在吸附存储、别离、催化等范畴取得了系列作用,曾在 Science、Nature Materials 等宣布论文 140 余篇。

  近期,其团队最新的研讨作用宣布在 Angewandte Chemie International Edition 上,文章中说到,张杰鹏团队规划组成的一例根据氢键衔接的多孔分子晶体,在混合组份的吸附别离测验中,体现出了挨近抱负的丁烷 / 异丁烷分子筛效应。

  丁烷在工业中用处较为广泛,可用于有机组成和乙烯制作、组成橡胶、以及用作家用燃料、溶剂、制冷剂等,张杰鹏团队规划的多孔分子晶体展现出的丁烷 / 异丁烷分子筛效应便可用于工业生产中丁烷的别离提纯。

  为缓解化工业别离纯化的耗能压力,人们测验运用多孔资料对客体分子的差异化吸附才能进行别离。但因惯例多孔资料的结构相对难以调控,并非一切分子都能找到适宜的多孔资料以完成抱负的、低耗能的别离提纯。张杰鹏对 DeepTech 说,“已知的多孔资料难以区别许多工业相关的化学物质,例如小分子烯烃及其伴生的副产品。”

  为脱节多孔资料结构难以调控这一枷锁,运用结构极其丰厚的无机 —— 有机杂化资料是一个较为抱负的解决方案,这也是张杰鹏探究多孔配位聚合物的一大原因。“多孔配位聚合物是开展高功能别离资料和共同吸附别离原理的抱负渠道”,他向 DeepTech 介绍说,“多孔配位聚合物(Porous Coordination Polymer, PCP)也称金属有机结构(Metal-Organic Framework, MOF)是一种由金属离子和有机 / 无机配位体衔接而成的晶态资料,它具有结构多样且易于规划取舍的优势,以及特别的结构柔性和动态行为才能。”

  和惯例的多孔资料比较,MOF 的结构柔性特别明显,其存在多个热力学介稳态,可以对外界影响发生丰厚多样的结构响应和动态行为,且一般可以因客体分子的吸附 / 脱附而彼此切换,并体现出类似于海绵胀大 / 缩短的形状,张杰鹏团队研讨发现,“MOF 孔外表的润饰与其本身的柔性结合” 展现出的特性,可用于有用进步贮存、别离、传感等功能。

  张杰鹏告知 DeepTech,他特别重视失常的吸附选择性,以为 “回转” 吸附选择性是完成吸附别离运用的要害,他举例说,就“比如在水龙头上设备一个过滤设备,只要吸附脏东西才有用”。

  “回转”吸附对应多孔资料在工业的吸附别离运用中,便是“多孔资料应该优先吸附低浓度杂质,”张杰鹏解说说,“由于假如多孔资料先吸附高浓度杂质很简单到达吸附饱满,方针产品的纯度也就很难进步。”

  现在的实际情况是,在工业烃类混合物(分子量类似的碳氢化合物)中,高价值的小分子烯烃(方针成分)一般浓度比低价值的杂质(如极性更大、分子更小、具有配位才能的烷烃)大得多。而惯例的多孔资料会优先吸附尺度小、极性大的烯烃分子。尽管这种方针成分被吸附资料保存的方法也可以到达别离提纯的作用,但需求屡次吸附脱附循环才可以到达方针纯度。

  另一方面,疏水多孔资料可以优先选择吸附极性小的烷烃分子(杂质),在理论上可以完成一次吸附进程得到纯化的烯烃,“但疏水资料选择性却极低,对很多混合物的别离作用可以疏忽”。

  对此,张杰鹏团队提出 “亲水孔道捕获疏水分子” 的概念,以从乙烯 / 乙烷混合物中提纯乙烯为例,运用超微孔外表准确摆放的氢键受体,氢键位点依照适宜的方位摆放,可以完成高效结合极性较低的乙烷分子而非极性较大的乙烯分子,并据此组成了新式多孔配位聚合物 MAF-49。

  在常温常压下,将乙烯 / 乙烷混合物经过 MAF-49 填充的固定床吸附设备后,乙烷被选择性吸附保存,流出的乙烯纯度很简单超越 99.99%。

  试验可以标明,经过 “回转” 吸附,可以大大简化乙烯的别离提纯进程,也确保了方针成分的纯度。

  一起,张杰鹏也特别说到,除了氢键位点的适宜摆放,MOF 的柔性在吸附别离进程中也非常要害。以分子较小、极性较大的丁二烯为例,在运用惯例多孔资料对其进行吸附别离,丁二烯分子很简单被吸附,但在脱附进程中简单被残留的其他 C4 烃类污染,且易受热聚合。

  对此,张杰鹏团队提出了 “操控柔性客体分子构型可回转吸附选择性” 的概念,经过规划特别的孔道形状操控柔性客体分子的构型,运用构型改变的能量差取得失常的吸附选择性和最优的 C4 烃类吸附别离次序。

  其团队经过试验得出,在常温常压下,将 C4 碳氢化合物的混合物经过 MAF-23 填充的固定床吸附设备后,丁二烯最早流出且纯度很简单到达 99.9%。一起,因吸附进程在常温环境下进行,也避免了惯例纯化进程中因加热发生的自聚问题。

  张杰鹏教授不只与多孔配位复合物 “相识” 多年,他和中山大学之间也有着 “不解” 之缘。

  据张杰鹏自己叙说,他与化学、与中山大学的剧集于 20 多年前拉开帷幕:1996 年考入中山大学运用化学专业、2000 年进入陈小明教授课题组(硕、博连读)、2007 年任中山大学化学学院副教授、2011 年任中山大学化学学院教授。期间,张杰鹏于 2005 年作为 JSPS 博士后参加日本京都大学北川进教授课题组,2007 年回来中山大学。

  曩昔 24 年间,有 22 年张杰鹏都和中山大学严密联系在一起,他和化学,尤其是和多孔资料的联系也日益严密。跟着对化学的研讨逐步深化,张杰鹏也越来越能摸清化学的 “脾气”。

  2008 年,张杰鹏指出结构柔性或动态行为中能垒的重要性,并提出动力学操控柔性的概念,为开展新式可控柔性(例如门控效应)供给了新思路;2015 年,他提出亲水孔道捕获疏水分子概念,完成了乙烯 / 乙烷混合物中乙烷的高效脱除和乙烯的高效纯化;2017 年,张杰鹏提出操控客体分子构型回转吸附选择性概念,完成了多组分 C4 烃类混合物中丁二烯的高效纯化;随后,他在 2019 年提出中心尺度分子筛概念,完成了杂乱多组分混合物中苯乙烯的高效纯化。

  从 1996 年至今,张杰鹏与化学、与中山大学的剧集已开展到 “第五季”,他自己也阅历了从本科生、硕士生、博士生,到副教授、教授的 “人物” 改变,但仍在继续更新中。