太原理工大学首篇《Science》！李晋平教授团队利用MOFs材料实现乙烷/乙烯高效分离
来源 | 太原理工大学 编辑 | 化学加
导读
10月26日，国际顶级学术期刊Science杂志在线发表了太原理工大学作为第一单位的研究论文“Ethane/ethylene separation in a metal-organic framework with iron-peroxo sites [Science, 2018, doi: 10.1126/science.aat0586]”。其中，太原理工大学化学化工学院李立博讲师是论文的第一作者，美国德州大学圣安东尼奥分校林锐标博士为共同第一作者，化学化工学院李晋平教授，美国国家标准与技术研究院WeiZhou博士和美国德州大学圣安东尼奥分校陈邦林教授为本文的共同通讯作者。这是太原理工大学首次在《Science》或《Nature》主刊上以第一单位发表研究论文，是一次历史性的突破。
低碳烃是石油化工的重要基础原料，然而其生产和提纯过程中都伴随着较高的能耗和污染，带来巨大的经济效益的同时，也引起了一系列的能源危机和环境问题。乙烯作为全球最重要的化工原料（2016年全球产量超1.7亿吨），其产能及生产技术水平是一个国家石油化工发展水平的重要标志。传统蒸汽裂解生产乙烯的过程中，会不可避免的产生乙烷等副产物，为了得到高纯度聚合级乙烯产品，工业上常常需要多步多级的低温精馏，导致产生巨大的生产能耗。
近年来，利用吸附分离工艺，以新型金属有机骨架材料（MOFs）为吸附剂实现碳氢化合物的高效分离，已成为学术界研究的热点。传统思路对乙烷/乙烯分离的研究，集中于利用MOFs材料中的不饱和金属空位与乙烯形成的π键相互作用而选择性吸附乙烯，来实现乙烷/乙烯分离。然而在实际生产中，乙烷杂质的含量较低，需要进行多个吸附-脱附循环才能够得到较高纯度的乙烯产品，显著提高了吸附分离的生产能耗，制约了其工业应用的发展。
在本文中，研究者们利用氧分子先与Fe-MOF材料中的不饱和空位结合，有效阻挡不饱和金属空位与乙烯间的π键相互作用，显著降低乙烯吸附量。同时，新构建的Fe-O2基团能够与乙烷显示出更强的吸附亲和力，实现吸附乙烷强于乙烯，从而达到选择性脱除乙烯中杂质乙烷的目的。
该设计思路不仅巧妙的实现了“乙烯-乙烯吸附反转”，也制备出迄今最高效的乙烷选择吸附剂，对不同浓度的乙烷/乙烯混合物一步分离得到聚合级乙烯。更重要的是，这种简单巧妙的思路可应用于其他MOFs中，为乙烷/乙烯分离吸附剂的选择开辟出一条新途径。
实现接近理想的丙炔-丙烯高效分离
此前，李晋平教授团队已实现接近理想的丙炔-丙烯高效分离，相关研究9月25日以“A Metal–Organic Framework with Suitable Pore Size and Specific Functional Site for Record Removal of Trace Propyne from Propylene” 为题发表在国际化学顶级期刊《德国应用化学》[Angew.Chem. Int. Ed.,2018, DOI: 10.1002/anie.201809869]。
丙烯是全球最重要的化工原料之一（2017年全球产能超1.2亿吨），其生产过程中不可避免的会产生丙炔杂质，极低浓度（≥1ppm）丙炔的存在就会对下游聚丙烯的生产造成显著影响。因而，实现丙烯中低浓度丙炔的高效净化，具有重要的工业与科学意义。传统石化行业中，丙炔的分离主要采用低温精馏或催化加氢工艺，存在能耗高和选择性低等不足。2017年李晋平教授团队首次利用柔性金属有机骨架材料（MOFs）独特的分子识别效应，实现了对丙烯中低浓度丙炔的高效分离（J. Am. Chem. Soc.,2017, 139, 7733–7736），引起了行业内的重点关注，为了满足实际工业要求，仍需进一步的提升丙炔的低压吸附量与选择性。经过一年多的认真研究与探索，该团队成功制备出兼具最高丙炔低压吸附量和超高丙炔/丙烯吸附选择性的 UTSA-200材料，为丙炔/丙烯的分离树立了新的标杆。
在该文中，研究者们通过对20余种经典MOFs材料的孔道尺寸，功能化基团及其丙炔-丙烯吸附性能进行了系统评估，优选得到具有最高吸附选择性与分离性能的UTSA-200材料。该MOFs独特的孔道结构在丙炔吸附时会产生吡啶环的旋转，从而在吸附丙炔的同时有效阻挡丙烯。同时，孔道中暴露的SiF62-基团能与丙炔分子形成较强的氢键相互作用将丙炔捕获。在较低压力下，UTSA-200材料显示出近乎理想的吸附大量丙炔而几乎不吸附丙烯，实现了超高的吸附选择性（>105）。
作者简介：李晋平，男，1964年生，山西大宁人，中共党员，工学博士，教授，博士生导师，新世纪百千万人才工程国家级人选，享受国务院政府特殊津贴专家，山西省重点学科应用化学学科带头人。现任太原理工大学副校长，气体能源高效清洁利用山西省重点实验室主任，山西省煤层气高效开采与利用协同创新中心主任，兼任中国能源学会常务理事，国家自然科学基金委化学部会评专家，兼任Chin. J. Chem. Eng.等期刊编委。
李晋平教授多年来主要从事气体能源高效清洁利用的研究，取得了系列开创性研究成果：围绕低浓度煤层气脱氧与除氮的高效富集利用，率先将分子筛引入低浓度煤层气富集领域；开发了变压吸附分离甲烷/氮气装置及相关工艺；利用柔性金属有机骨架材料独特的分子识别效应成功实现了丙烯中低浓度丙炔的高效分离；系统研究了多孔材料的物理吸附储氢，阐明了储氢机理和构效关系；开发了温和条件下光电水解制氢的系列高效的阳极析氧催化剂。
李晋平教授主持国家“863”计划项目、“973”前期研究专项、国家自然科学基金重点及面上项目、山西省煤基产业链煤层气专项子项目、山西省科技攻关项目及山西省省自然科学基金等项目30余项。在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊发表学术论文200余篇，其中SCI收录120余篇，SCI被引2000余次；授权中国发明专利18项。作为主要完成人获得国家技术发明二等奖1项，山西省技术发明一等奖1项，省部级自然科学二等奖3项。先后获得“第九届侯德榜化工科学技术奖-创新奖”、“新世纪学术技术带头人333人才省级人选”、“山西省五一劳动奖章”和“山西省高等学校中青年拔尖创新人才”等荣誉称号。
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