中山大学林锐标教授等Angew. Chem. ：超微孔材料中静电势驱动的二氧化碳乙炔高效筛分

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在化学工业中，乙炔被广泛用作燃料，也是多种化工品的重要原材料。工业上主要通过部分燃烧法生产乙炔，但这一过程同时会产生二氧化碳杂质。乙炔与二氧化碳均为线性分子，且分子大小（乙炔：3.3×3.3×5.7 ų，二氧化碳：3.2×3.3×5.4 ų）也非常接近。同时，乙炔与二氧化碳在沸点，偶极矩和极化率等物理性质上都具有高度相似性。通过变压或变温吸附过程将乙炔与二氧化碳分离存在很大的难度，也特别具有挑战性。

用于吸附分离乙炔与二氧化碳的多孔材料可以分为C₂H₂选择性和CO₂选择性。由于可以在一个吸附循环直接产出高纯度C₂H₂，利用选择性吸附CO₂的吸附剂除去CO₂杂质是一种更有效可行的纯化方法。但因为缺乏明确的分离机理来设计潜在的吸附剂，开发CO₂选择性的材料还存在很大的挑战。一些存在结构柔性或对CO₂有化学吸附作用的材料也仍难以避免C₂H₂的共吸附问题。

考虑到C₂H₂和CO₂的四极矩相反，找到一种具有接近于CO₂和C₂H₂分子尺寸的孔道的吸附剂，利用限域空间中气体分子的受限结合构型，使得孔表面得以和两个分子实现最大程度的静电相互作用，从而使得通过互补静电势的孔腔结构区分不同四极矩的CO₂和C₂H₂而实现对CO₂的选择性识别成为可能，并有望实现CO₂/C₂H₂的最大“反转”选择性和筛分效果。

近日，德克萨斯大学圣安东尼奥分校的陈邦林教授、中山大学林锐标教授和美国国家标准与技术研究所（NIST）中子研究中心周伟博士合作研究了基于硝普盐（nitroprusside）的超微孔材料硝普镉（Cd-NP）对CO₂和C₂H₂的选择性吸附行为。该材料椭圆形孔腔的大小与形状均与CO₂和C₂H₂分子接近，孔道末端的Cd位点产生的正电势为CO₂的端基电荷分布互补。这样的限域空间有利于研究气体分子在受限的结合构型下与框架的静电势相互作用。气体吸附实验表明，常温常压下Cd-NP对CO₂的吸附量显著高于C₂H₂，CO₂/C₂H₂吸附选择性高达85，是目前CO₂/C₂H₂选择性最高的吸附剂之一。

中子衍射测试和理论模拟研究表明，CO₂分子可以通过多种主客体弱相互作用在孔腔中被吸附，并且CO₂与孔表面电荷匹配，而C₂H₂则静电势不匹配被排斥。在动态固定床穿透实验中该材料对CO₂/C₂H₂的分离性能依然得以保持，并具有良好的循环稳定性。最后，该材料合成简便且成本低廉，具有规模化合成和工业化的潜力。该工作为设计合成高CO₂/C₂H₂选择性的吸附剂提出了一种新策略。

原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202100584

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