在丙烯/丙烷分离上实现新突破! 暨大重磅研究在《自然》刊文

2021-07-23 01:35    来源:新快报

新快报讯 记者王娟 实习生李一天 通讯员苏运生 苏倩怡报道 7月21日,国际顶尖学术期刊《Nature》在线发表了暨南大学化学与材料学院陆伟刚教授和李丹教授研究团队的研究成果。

该研究提出了一种新的分离机制:正交阵列动态筛分,在此机制下,可以在本质上不同的压力下高效地分离丙烯/丙烷(1/1)混合物,得到纯度为99.5 %的丙烯,实现了丙烯/丙烷分离领域的突破性进展。

据悉,该研究可能被广泛应用至石油化工、疫情防控、医疗卫生等多个领域。暨南大学为该篇论文的唯一完成单位,该校化学一级学科博士点首届博士研究生曾恒为论文第一作者。

或提供绿色的分离方案助力碳达峰、碳中和需求

放眼四周,小到晶莹剔透的“有机玻璃”和婴儿的尿不湿,大到家电外壳和汽车零部件等都是丙烯深加工的产物。而聚合级(高纯度)丙烯(≥ 99.5 %)所生产的聚丙烯在抗疫防疫中更大显身手,是防护口罩、防护服熔喷无纺布专用料,也是注射器、护眼罩和输液瓶等的生产原料。

事实上,丙烯是全球产量最高的基础有机化工原料之一,年产量超过1亿吨。工业上,丙烯主要通过石油催化裂解或丙烷脱氢来制备。然而,丙烷裂解生产丙烯这一技术在工业上不能直接得到聚合级的丙烯。为了去除残留的丙烷,工业上往往以高昂的设备投资和巨大的能量消耗作为代价。因此,在能源危机日渐严重的今天迫切需要开发出低能耗的丙烯纯化技术,寻求绿色的分离方案,是未来实现我国碳达峰、碳中和的重大需求。

虽然目前该研究尚未应用于实际工业,但研究团队中李丹教授表示,“我们希望能尽快和工业界开展合作,将在实验室的科研成果转化到实际应用,未来能节约大量能耗,降低成本,而且所需设备要简单得多”。他透露,接下来研究团队将继续深化研究,力争设计出更好的分离机制。

分离领域的突破性进展 高达99.5 %的纯度

据介绍,分子筛是一种很成熟的分离材料,已被广泛应用于石油化工、煤化工、空气分离与净化、环境治理等多个领域。但是,分子筛吸附剂的应用也存在许多挑战,例如,精确的孔径设计困难,吸附动力学缓慢和吸附量低。

研究提出了一种新的分离机制:正交阵列动态筛分,在由金属节点和有机配体通过自组装形成的一类具有确定组成与结构和多样化孔道的新兴晶态多孔材料金属-有机框架上,成功解决了传统分子筛吸附动力学缓慢和吸附量低的问题。

据介绍,由研究人员设计、开发并合成的基于该筛分机制的金属-有机框架材料(被命名为JNU-3),其一维通道带有嵌入的动态分子口袋,可以在本质上不同的压力下高效地分离丙烯/丙烷(1/1)混合物,每公斤JNU-3可以得到53.5升聚合级(99.5 %)的丙烯,具有迄今为止最佳的丙烯/丙烷分离性能,实现了丙烯/丙烷分离领域的突破性进展,为设计下一代分离材料指出了新的方向。

奋斗整整两有余 暨大为唯一完成单位

“我们前前后后,从实验数据到完全发表文章中的那些数据,我们大概重复了三个月(实验),还不包括失败的。”团队成员告诉记者,从2019年3月19日第一次合成,到2020年7月扩大实验,再到投稿、修改,和最终发表,团队整整为止奋斗了两年有余。

提起文章的第一作者,学院党委副书记陈文举不无感慨地告诉记者:“他现在的作息时间也基本是从早晨八点,一直干到晚上十一点,几乎每天都是这样,没有星期六星期天的。”

据了解,该研究长文由化学与材料学院超分子配位化学研究所团队独立完成。该研究所成立于2017年,旨在开展具有重大科学意义和应用前景的超分子配位功能材料的分子设计、合成技术、晶体工程和材料创制,并探索这些材料在能源、环境和生物医药等领域的应用。

这一研究的相关工作得到了国家自然科学基金重点项目、广东省自然科学基金、广东省基础与应用基础研究重大项目和暨南大学等的大力支持。2018年,暨南大学获批化学一级学科博士点,该论文第一作者曾恒,正是该博士点招收的首届博士研究生。

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