基于渗透框架吸附溶液理论预测“门控”吸附剂的穿透性能

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摘要：
本文对柔性金属有机框架ELM-11开展实验与理论研究，通过纯气及二元混合气的穿透实验，发现其CO₂穿透曲线呈阶梯状，利用渗透框架吸附溶液理论（OFAST）可预测该阶梯的出现及高度，且含小动力学直径气体时阶梯高度会降低。

研究背景：
1. 行业问题和研究现状：柔性MOFs在气体分离中具潜力，但难预测实际工况下的CO₂捕获性能，现有研究中相关穿透实验较少，且传统模型难解释其特殊穿透行为。
2. 本文创新：提出将OFAST应用于ELM-11的混合气体吸附研究，建立三种模型，结合实验与模拟，揭示尺寸排斥和“门挡”效应对穿透曲线的影响。

实验部分：
1. 材料制备：购买pre-ELM-11，经403K、<10μmHg真空脱气2h转化为ELM-11。
2. 穿透实验：搭建气体流动装置，装填~0.3g ELM-11，403K以上氦气原位活化，258-317K下进行CO₂穿透和释放实验，用质谱仪检测流出气组成；结果得到不同温度、气体组合下的阶梯状穿透曲线。
3. GCMC模拟：用MCCCS Towhee软件，采用特定力场，模拟He、N₂、CH₄在ELM-11上的吸附等温线，获得相关Langmuir参数。

4 分析测试：
1. 材料表征：XRD（Rigaku MiniFlex600）和IR（PerkinElmer Spectrum BX FT-IR）表征pre-ELM-11，得到对应图谱。
2. 吸附等温线测试：用Micromeritics ASAP 2050测定258-348K CO₂等温线，GCMC模拟获其他气体等温线；ELM-11在258K CO₂ gate压力21kPa，273K为35kPa。
3. 模型分析：建立三种OFAST模型，Model 3拟合效果最佳，能较好匹配实验数据。
结果揭示ELM-11的门控转变与穿透曲线阶梯相关，气体分子尺寸影响吸附行为。

总结：
1. 主要结果：ELM-11具特殊阶梯状CO₂穿透曲线，OFAST可预测该特征。
2. 创新突破：首次将OFAST系统应用于柔性MOFs穿透性能预测，发现“门挡”效应。
3. 潜在意义：为柔性MOFs在气体分离中的应用提供理论支撑和设计参考。

Predicting the Breakthrough Performance of “Gating” Adsorbents Using Osmotic Framework-Adsorbed Solution Theory
文章作者：Francisco J. Sotomayor, Christian M. Lastoskie
DOI：10.1021/acs.langmuir.7b02036
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.7b02036

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