北京化工大学阳庆元教授课题组：C2H2/C2H4分离的高通量计算筛选研究

研究背景

乙烯是一种重要的化工原料，它的分离纯化在化工领域中占有重要地位。在乙烯的生产过程中，乙炔通常作为副产品出现。在不消耗大量能源的情况下，从C₂H₂/C₂H₄混合物中脱除C₂H₂至关重要。然而，由于C₂H₂和C₂H₄具有相似的分子尺寸（C₂H₂为3.32 × 3.34 × 5.70 Å，C₂H₄为3.28 × 4.18 × 4.84 Å）、挥发性和基于不饱和C-C键的电子结构，有效分离C₂H₂和C₂H₄具有很大的挑战性。金属-有机骨架（Metal-Organic Framework，MOF）材料由于具有高孔隙率，高比表面积和尺寸可调控的特点，在气体吸附分离应用领域中受到了高度关注。通常，对于含有Cu₂(COO)₄轮桨型二级结构单元（SBU）的MOF材料，脱除溶剂分子后的SBU含有Cu开放金属位点（Cu-OMS），其对一些含有π键的客体分子如烯烃和炔烃等展现出强烈的特殊吸引势。

图文解读

近日，北京化工大学阳庆元课题组从剑桥晶体结构数据库中收集了962个含有Cu-OMS的MOF，用以研究它们的C₂H₂/C₂H₄分离性能。由于烯烃和炔烃中的π键的存在，传统力场无法准确描述客体分子在MOF中的吸附行为。于是，该工作基于密度泛函理论的计算结果，开发出了可用于描述C₂H₄与Cu-OMS之间相互作用行为的精确分子力场，并利用其围绕C₂H₂/C₂H₄体系的分离开展了高通量筛选研究。

图1. 含有Cu-OMS的MOF对C₂H₂/C₂H₄的分离性能。

构效关系表明，当最大空腔直径在5~10 Å，孔体积在0.3~1.0 cm³ g^-1时，材料对C₂H₂/C₂H₄的分离效果最好。同时，根据模拟结果识别出了3个高性能材料。基于筛选出材料的-F基团改性研究发现，Cu-OMS和有机配体上F原子对C₂H₂分子吸附所产生的协同作用效应，有利于提高材料对C₂H₂/C₂H₄的分离性能。

图2. （a）筛选确定的高性能材料改性示意图；（b）DFT计算获取的C₂H₂分子在改性材料中的吸附构型，I表示氢键，II表示C₂H₂分子的C≡C键与Cu-OMS之间的作用力。

文章信息

本文以“High-throughput computational screening of Cu-MOFs with open metal sites for efficient C₂H₂/C₂H₄ separation”为题，发表于Green Energy & Environment期刊。本文第一作者为硕士研究生刘磊，通讯作者为阳庆元教授和仲崇立教授。

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2020.03.002

通讯作者简介

阳庆元

阳庆元，北京化工大学教授，博士生导师。2012年入选教育部新世纪优秀人才计划，2013年获得国家自然科学基金委优秀青年基金。主要从事新型纳米多孔材料，尤其是金属有机-骨架（Metal-Organic Frameworks，MOF）材料的计算化学以及实验合成等方面的理论和应用基础研究，采用的理论研究手段包括热力学、统计力学、分子模拟和量化计算等方法。

仲崇立

仲崇立，天津工业大学教授，博士生导师。曾任国家自然科学基金项目会评专家、科技部“973计划”项目复评专家。长期从事面向化工、环境与能源等领域应用的纳微结构材料的分子设计、合成与性能研究，特别是在工业气体分离及废水处理中的应用研究，主持国家杰出青年基金、国家自然科学基金重点、973项目课题等项目10余项。采用的研究手段包括量化计算、分子模拟和实验。

课题组网址：http://jshx.buct.edu.cn

撰稿：原文作者    

编辑：GEE编辑部