南開大學(xué)在炔烴/烯烴分離研究方面取得進(jìn)展

南開大學(xué)聯(lián)合曼徹斯特大學(xué)、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及英國盧瑟?！ぐ⑵諣栴D實(shí)驗(yàn)室、美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室等科研機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)構(gòu)筑分子篩限域配位不飽和中心，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)選擇性炔烴烯烴吸附分離。該研究成果發(fā)表于《科學(xué)》(Science)雜志上。

低碳烯烴是化學(xué)工業(yè)重要的基本原料，全球產(chǎn)能接近400 Mta，其生產(chǎn)過程會(huì)引入少量炔烴雜質(zhì)，對(duì)其聚合與后續(xù)加工產(chǎn)生極大影響。高效去除炔烴雜質(zhì)、生產(chǎn)聚合物級(jí)低碳烯烴對(duì)許多工業(yè)過程非常重要，是具有極大挑戰(zhàn)性的國際前沿科學(xué)問題。當(dāng)前工業(yè)上采用復(fù)雜且高耗能的選擇加氫除炔工藝，雖然以金屬有機(jī)框架材料為代表的多孔吸附材料可選擇性吸附炔烴從而實(shí)現(xiàn)炔烴烯烴分離，有望替代當(dāng)前昂貴繁瑣的選擇加氫除炔工藝。然而，基于炔烴烯烴氣體分子與多孔吸附材料間復(fù)雜相互作用的吸附分離過程很難兼具高的吸附容量與分離選擇性，而且多孔吸附材料自身的循環(huán)穩(wěn)定性與成本也進(jìn)一步制約其工業(yè)應(yīng)用。

針對(duì)上述問題，該研究團(tuán)隊(duì)從廉價(jià)易得的材料入手，設(shè)計(jì)構(gòu)筑了八面沸石(FAU)限域配位不飽和中心(Ni，Cu，Zn)，利用其與炔烴分子的可逆化學(xué)成鍵實(shí)現(xiàn)炔烴烯烴化學(xué)選擇性吸附分離，提出基于化學(xué)鍵的吸附分離新策略，從根本上解決了吸附容量與分離選擇性難以兼顧的問題，并具有方法學(xué)上的普適性。

反應(yīng)中間體的探測(cè)與表征是詮釋化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的關(guān)鍵。然而，這些反應(yīng)中間體的數(shù)量密度低、壽命短、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，試驗(yàn)研究非常困難，往往需要高靈敏度、高時(shí)間分辨以及對(duì)結(jié)構(gòu)敏感的譜學(xué)等探測(cè)方法。該研究團(tuán)隊(duì)將高分辨率質(zhì)譜與光參量振動(dòng)激光器相結(jié)合，自主研制了紅外光解離光譜，可原位在線高靈敏探測(cè)關(guān)鍵反應(yīng)中間體的組成與結(jié)構(gòu)，對(duì)詮釋催化反應(yīng)機(jī)制具有重要作用。

通過原位中子衍射、非彈性中子散射、紅外光解離等先進(jìn)譜學(xué)技術(shù)解析炔烴烯烴分子與Ni@FAU的相互作用機(jī)制，揭示了FAU分子篩限域的配位不飽和Ni(Ⅱ)中心與炔烴分子化學(xué)選擇性成鍵，以及亞穩(wěn)態(tài)Ni(Ⅱ)(C2H2)3與Ni(Ⅱ)(C3H4)3物種的生成。該研究結(jié)果利用先進(jìn)的譜學(xué)技術(shù)從分子、團(tuán)簇、表界面多層次揭示能源小分子與催化劑的化學(xué)反應(yīng)規(guī)律，為新型高效吸附催化材料的設(shè)計(jì)開發(fā)提供思路，有望推動(dòng)分子篩材料在相關(guān)工業(yè)吸附分離過程中的應(yīng)用。

[中國石化有機(jī)原料科技情報(bào)中心站供稿]