【KAUST-8分离C4】氟化阴离子柱撑杂化超微孔材料在高效分离C4烯烃中的门控开启和尺寸筛选效应

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摘要
本研究探讨了两种氟化阴离子柱撑杂化超微孔材料（HUMs），KAUST-7 (NbOFFIVE-1-Ni) 和 KAUST-8 (AlFFIVE-1-Ni)，在高效分离C4烯烃混合物（C4H6/n-C4H8/iso-C4H8）中的应用。KAUST-7通过门控开启效应，完全排除了iso-C4H8，但允许C4H6和n-C4H8通过，且对C4H6有优先吸附性。KAUST-8则通过其较大的孔窗尺寸和阴离子柱与C4烯烃分子间的强氢键作用，有效分离了iso-C4H8。固定床突破实验验证了KAUST-7和KAUST-8在C4H6/n-C4H8/iso-C4H8分离中的优异性能，突出了它们在工业应用中的潜力。

研究背景
1) 行业问题：C4烯烃是重要的石化原料，但它们的分离过程既具挑战性又耗能。
2) 现有方案：目前，C4烯烃的分离主要依靠有机溶剂萃取精馏和低温精馏，这些过程耗能且对环境不友好。
3) 本文创新：本研究通过改变阴离子柱撑材料的孔径和功能，实现了对C4烯烃的有效分离。

实验部分
1) KAUST-7和KAUST-8通过溶剂热法合成，使用Ni(NO3)2·6H2O、Al(NO3)3·9H2O、Nb2O5、C4H4N2和HF等原料。KAUST-7在130°C下反应24小时，KAUST-8在80°C下反应24小时。
2) 材料表征:使用PXRD、TGA、SEM和CO2吸附等温线对合成样品进行表征。
3) 单组分气体吸附: 在298K和313K下测量C4H6、n-C4H8和iso-C4H8的单组分气体吸附等温线。
4) 突破实验: 在固定床突破装置上进行C4H6/n-C4H8/iso-C4H8混合物的动态分离实验。
5) 理论计算: 使用GFN2-xTB方法优化KAUST-7和KAUST-8的结构，并计算与C4烯烃分子的结合能。

分析测试
1) 粉末X射线衍射（PXRD）确认了样品的晶体结构和相纯度。
2) 热重分析（TGA）确认了样品在400°C和350°C下具有良好的热稳定性。
3) 比表面积和孔隙体积: KAUST-7的比表面积为205.96 m2 g−1，孔容为0.077 cm3 g−1; KAUST-8的比表面积为240 m2 g−1，孔容为0.13 cm3 g−1。
4) 单组分气体吸附: KAUST-7对C4H6和n-C4H8有较高的吸附量，对iso-C4H8几乎没有吸附; KAUST-8对C4H6和n-C4H8的吸附量较高，对iso-C4H8的吸附量低。
5) 突破实验: KAUST-7和KAUST-8在固定床突破实验中展现了优异的C4烯烃分离性能。

总结
1) 本研究成功扩大合成了两种氟化阴离子柱撑杂化超微孔材料KAUST-7和KAUST-8，通过改变阴离子柱撑的形态、大小和功能，实现了对C4烯烃的有效分离。
2) KAUST-7通过门控效应优先吸附C4H6，而KAUST-8则能有效分离iso-C4H8。固定床突破实验进一步验证了这两种材料在C4烯烃分离中的优异性能。

展望
1) 进一步研究通过改变合成条件或引入其他功能团来优化KAUST-7和KAUST-8的结构，以实现更高的分离效率和稳定性。并探索KAUST-7和KAUST-8在其他气体分离体系中的应用。
2) 研究KAUST-7和KAUST-8的规模化合成方法，以降低成本并提高其在工业应用中的可行性。

Efficient separation of C4 olefins with fluorinated anion-pillared hybrid ultramicroporous materials by gate-opening and size-sieving effect
文章作者：Zeyu Chang, Xiaoxia Jia, Tong Li, Yong Wang, Libo Li
DOI: 10.1016/j.seppur.2023.123956
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138358662300864X