西工大“85後”教授實現一步分離提純乙烯

　　原標題：西工大“85後”教授實現一步分離提純乙烯

　　在國際上首次利用三種金屬有機框架材料協同吸附，實現了在四組份混合氣體條件下，一步分離製備高純度乙烯，西工大“85後”陳凱傑教授團隊這項研究成果為複雜工業分離體系下綠色低能耗工藝的研發提供一種全新的設計思路。10月11日，該研究成果在《科學（Science）》雜誌上發表。

　　乙烯的高純製備在初級化工原料生産中有著舉足輕重的作用，傳統的乙烯分離方法步驟繁多、成本較高且能耗高。如何用更加節能高效的方式，實現乙烯的分離和純化？

　　“想要實現乙烯的一步分離製備，就要使特定的‘多孔MOF材料’選擇性地同時捕獲其他三種氣體，只有乙烯不被吸附，從而單獨分離出來。這樣的道理非常簡單，實踐起來卻絕非易事。”陳凱傑教授説。

　　提到“多孔材料”，我們會聯想到生活中常見的海綿。不過陳凱傑團隊所使用的“多孔材料”是金屬-有機框架材料，即由金屬離子和有機小分子通過配位鍵連接形成的原子三維有序排布的多孔晶體材料。該類材料中孔道大小通常小于2 納米。事實上，乙烯的分子尺寸在四種氣體中並不是最大或最小，從分子尺寸角度想到的“分子篩”辦法行不通。從分子作用力的角度思考，如果乙烯分子的四極矩在四種氣體中最大或最小，就傾向於和多孔材料之間形成最強或最弱的吸附力，也是一個分離乙烯的思路，但乙烯的分子四極矩恰恰也處於中間。

　　“正因為乙烯分子四極矩和尺寸都居中的特性，以往的研究大多都聚焦在兩種氣體中分離乙烯，極少數研究實現了三種氣體中的乙烯提純。因為每增加一種氣體，想要一步分離製備乙烯的難度就大得多。”談到當初的研究設想時，陳凱傑教授説：“如果使用一種材料無法一步將乙烯從四種氣體中過濾出來，那麼能否使用對特定氣體有最強吸附力的三種材料，分別來捕獲掉乙炔、乙烷、二氧化碳？只要乙烯在這三種材料中都不被吸附，那麼乙烯就會最先從吸附柱末端流出富集。”

　　這個“腦洞大開”的想法最終成為了現實。陳凱傑團隊通過長時間的探索與驗證，終於選定了三種具有特異性孔道結構的MOF材料。每種材料都能優先吸附自己“喜歡”的一種氣體。這樣再把這三種吸附材料以串聯的形式裝填進單一吸附柱中，並最終實現了乙烯的一步分離純化。這種串聯式的吸附柱裝填方式，相較于串聯排布三個吸附柱，有望在未來的工業應用中大大降低分離裝置的尺寸和樣品活化程式。

　　這位在國際頂級學術期刊上發表論文的西工大青年教師陳凱傑，是一名1986年出生的年輕教授。談及未來的規劃，陳凱傑教授希望將這項研究拓展到能源化工領域內其它多種能源化工原料單體的分離純化工藝中。同時，也要努力實現材料的低成本化，模擬更加複雜的工業分離體系，讓成果有機會從實驗室走出來，更好地服務於現實生活。