多孔有机笼晶态材料用于轻烃气体分离
2019-06-07 09:40:49   来源:

柔性多孔材料属于第三代多孔材料,其在外部刺激(压力、温度、光照等)下可以发生可逆的结构转变,在气体存储、分离、传感以及智能材料等领域展示了巨大的应用潜力。多孔有机笼(POCs)是近年来兴起的一种新型的分子晶体材料。与传统的多孔框架材料相比,多孔有机笼最大的优点在于其良好的溶解性、化学稳定高。利用多孔有机笼自组装形成的柔性多孔晶体材料,同时具有笼内孔和笼之间的堆积孔。客体分子可以选择性的吸附在不同的孔中,进而发生结构转化(图1)。目前为止,利用其客体分子选择性吸附特性,用于气体分离研究很少见于报道。

图1。多孔有机笼形成的柔性晶体材料展现不同的结构转化行为。

近期,南开大学化学学院张振杰研究员与利默里克大学Michael J. Zaworotko教授、清华-伯克利深圳学院余旷教授合作,首次设计合成了一种酰亚胺连接的[2+3]柔性多孔有机笼,通过自组装可以形成具有客体分子响应的柔性多孔有机笼晶体。当含有溶剂的NKPOC-1-β 相暴露在空气中时,会逐渐失去溶剂发生结构转化形成密堆积的无孔NKPOC-1-α相(图2)。

图2. (a) NKPOC-1 的结构; (b) NKPOC-1-αβ 相,沿 c 轴堆积和沿 ab 面堆积; (c) NKPOC-1-β 相和 NKPOC-1-α 相的晶体数据,分别是沿 c 轴堆积和沿 ab 面堆积。 (d)不同时间的原位粉末 X 射线衍射检测预合成含有溶剂的 β 相转换成失去溶剂的 α 相的过程。

研究发现,NKPOC-1-α对多种气体展示了独特的开孔效应。NKPOC-1-α 对于二氧化碳具有多步开孔吸附行为;当其暴露在丙炔、丙烯和丙烷的氛围中时,通过开孔吸附行为可以实现αβ 重庆幸运农场平台相的转变。利用其对丙炔、丙烯和丙烷的不同开孔行为可以有效的实现C3混合气体的选择性分离(图3)。通过原位-粉末X射线衍射和分子动力学模拟对该材料的结构转化进行了详细的研究和解释。

图3. NKPOC-1-α用于丙炔、丙烯和丙烷的选择性分离。

该工作最近发表在J. Am. Chem. Soc.上,文章第一作者为南开大学化学学院的博士生王志方。通讯作者是南开大学化学学院的张振杰研究员、利默里克大学的Michael J. Zaworotko教授和清华-伯克利深圳学院余旷研究员。

该研究成果得到了国家自然科学基金委等经费的资助。

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