一种柱状层金属有机框架对二甲苯异构体的高效分离

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摘要：
二甲苯异构体沸点和动力学直径相近，分离难度大。本文研究柱状层MOF材料Co(aip)(bpy)₀.₅对二甲苯异构体的吸附分离性能，其在液相竞争吸附中表现出显著对选择性，对二甲苯/间二甲苯分离因子达30，对二甲苯/邻二甲苯达16。分子模拟表明，对二甲苯与框架相互作用最强，揭示了微观作用机制，拓展了柱状层MOF在该领域的应用。

研究背景：
1. 行业问题：二甲苯异构体分离是化工领域难题，传统蒸馏法不适用；现有吸附剂（如沸石、MOFs）选择性或吸附量有限，最高分离因子约10。
2. 本文创新：选用钴基柱状层MOF Co(aip)(bpy)₀.₅，结合多种吸附实验与分子模拟，系统研究其对二甲苯异构体的分离性能，探索高选择性分离机制。

实验部分：
1. 材料合成：将Co(CH₃COO)₂·4H₂O与4,4'-联吡啶、5-氨基间苯二甲酸分别溶于水和甲醇，混合后60℃水热反应72h，经洗涤、甲醇浸泡及150℃脱气8h得吸附剂。
2. 吸附实验：25℃下进行单组分/二元竞争吸附实验，用Langmuir模型拟合等温线；通过穿透实验、程序升温脱附（TPD）研究吸附-脱附性能。
3. 分子模拟：用DFT计算吸附质与框架的相互作用能，分析分子静电势，揭示选择性吸附机理。

分析测试：
1. 结构表征：PXRD和FT-IR证实材料合成成功；TGA显示材料在400℃前稳定，30-120℃失重为脱除孔内溶剂。
2. 吸附性能测试：25℃时对二甲苯饱和吸附量156mg/g，间二甲苯90mg/g；吸附焓分别为-38.88、-35.85、-20.14kJ/mol（对、邻、间）；扩散时间常数对二甲苯8.65×10⁻⁴s⁻¹，间二甲苯3.70×10⁻⁵s⁻¹。
3. 模拟结果：相互作用能对二甲苯（-0.568eV）＜邻二甲苯（-0.544eV）≈间二甲苯（-0.547eV），证实对二甲苯吸附最强。
4. 机理：材料孔道化学环境利于对二甲苯吸附，竞争吸附中对二甲苯可取代其他异构体，表现出高选择性。

总结：
1. 主要结果：Co(aip)(bpy)₀.₅对二甲苯异构体具高吸附选择性，分离因子显著优于现有材料。
2. 创新突破：首次报道该柱状层MOF的高效二甲苯分离性能，结合实验与模拟阐明作用机制。
3. 潜在意义：为二甲苯分离提供新型高效吸附剂，推动柱状层MOF在吸附分离领域的应用。

Efficient Separation of Xylene Isomers by a Pillar-Layer Metal−Organic Framework
文章作者：Liping Yang, Hanbang Liu, Danhua Yuan, Jiacheng Xing, Yunpeng Xu, Zhongmin Liu
DOI：10.1021/acsami.1c10462
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c10462

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