乙炔作为最简单的炔烃，不仅是重要的燃料气体，而且广泛用于合成丙烯酸衍生物、橡胶、纤维和塑料，但由于在液态和固态下或在气态和一定压力下有猛烈爆炸的危险，因此不能在加压液化后贮存或运输。另一方面，在生产乙炔的过程中，由于石油炼制中的蒸汽裂解，通常产生甲烷和二氧化碳而无法得到高纯度乙炔，特别是乙炔和二氧化碳，由于分子大小、极性等性质相似，是目前气体分离中的难题之一，故实现兼具高的乙炔储存及分离性能具有极其重要的意义。

针对该挑战，陕西师范大学翟全国教授（点击查看介绍）团队和加州州立大学长滩分校的卜显辉教授（点击查看介绍）在前期系统研究MOF材料孔道分区（Acc. Chem. Res., 2017, 50, 407-417；Nature Commun., 2016, 7, 13645；JACS, 2016, 138, 15102-15105；JACS, 2015, 137, 1396-1399等）的基础上，提出了一种超微孔构筑单元（UBU）新合成策略。基于该UBU策略构筑的超微孔能够促进气体的分离，同时超微孔之间形成较大的堆积孔能够增强气体的吸附能力，从而解决传统气体吸附过程分离选择性和容量难以兼具的巨大挑战。而这种UBU策略合成的有效性在具有超微孔的八面体笼构筑的SNNU-45材料中得到了很好的证明，UBU空间中直线相对的开放金属位点之间4.5 Å的距离，能够很好的与一个或多个C₂H₂分子的π键作用，但是在两开放金属位点之间很难直立一个CO₂分子，同时笼窗口中未配位的羧基氧也能够促进其对乙炔分子的吸附能力，在273 K，298 K和1 atm的条件下，对C₂H₂的吸附量分别可以达到193.0 和 134.0 cm³ g^-1，同时在298 K对 C₂H₂/CO₂的IAST分离比可以达到8.5，常温常压下，C₂H₂/CO₂的穿透时间可以达到79 min g^-1。通过GCMC模拟实验也进一步证明了该结构中主要是通过UBUs促进C₂H₂/CO₂的分离，而UBUs之间的堆积孔则增强了C₂H₂的吸附容量。

图1. SNNU-45中的超微孔建构单元（UBU）及其三维结构（左）；计算模拟C₂H₂在不同温度条件下在SNNU-45材料中的分布（右a - d）及在298 K时在超微孔中的分布（右e）。

UBU策略的提出不仅为高的乙炔的储存和分离提供解决方法，而且也为其它小分子气体的储存分离提供新的思路和策略参考。

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章的第一作者是陕西师范大学的博士研究生李永鹏。

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Ultramicroporous Building Units as a Path to Bi-microporous Metal-Organic Frameworks with High Acetylene Storage and Separation Performance

Yong-Peng Li, Ying Wang, Ying-Ying Xue, Hai-Peng Li, Quan-Guo Zhai, Shu-Ni Li, Yu-Cheng Jiang, Man-Cheng Hu, Xianhui Bu

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 13590-13595, DOI: 10.1002/anie.201908378

导师介绍

翟全国

https://www.x-mol.com/university/faculty/12351

卜显辉

https://www.x-mol.com/university/faculty/51987

http://web.csulb.edu/~xbu/