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图文解析

要点：JNU-3a在一维通道两侧分布正交阵列动态分子袋，分子口袋和一维通道通过一个约3.7 Å的动态“葫芦形”窗口相连，“葫芦形”窗口在识别到不同尺寸的气体分子会扩张至合适的尺寸，使得分子袋能够有效捕获C₂H₂、C₃H₄和1-C₄H₆三种尺寸不同的炔烃分子。在C₂H₂、C₃H₄、1-C₄H₆和C₂H₄组成的四元混合气体中，JNU-3a能够捕获这三种炔烃分子，而与金属有机框架亲和力较弱的C₂H₄则可以快速通过一维通道，从而实现C₂-C₄炔烃和C₂H₄的有效分离（图1）。

要点：图2a-c分别为在不同温度下JNU-3a上C₂H₂、C₂H₄、C₃H₄和1-C₄H₆的单组分吸附等温线，三种炔烃在低压下都表现出陡峭的斜率，表明有效吸附和强结合亲和力，而C₂H₄在整个压力范围内表现出平缓的斜率，表明结合亲和力较弱，吸附效果较差，且随着温度的升高，C₂H₄吸附量大幅度下降（图2d）。与其他三种炔烃吸附等温线相比，在298K时，差异较明显（图2e）。利用差示扫描热量法分别测量了C₂H₂、C₃H₄、1-C₄H₆和C₂H₄的Q_st值，分别为-51.8、-57、-54.3和-26.5 kJ mol⁻¹（图2f）。

要点：在对负载C₂H₂、C₂H₄、C₃H₄或1-C₄H₆后的JNU-3a进行原位单晶检测结果表明，所有碳氢化合物优先吸附在分子袋内，并且每个袋容纳一个晶体学上独特的C₂H₂、C₂H₄、C₃H₄或1-C₄H₆分子。碳氢化合物与口袋周围有机连接体的O/N原子表现出多种非经典氢键相互作用（图3c-f）。诺利曲面比较清楚地显示了孔径的开口；负载C₂H₂、C₂H₄、C₃H₄和1-C₄H₆后，JNU-3a最窄直径分别从3.7 Å增加到4.1、4.2、4.3和4.7 Å（图3b-f）。利用DFT计算得到的C₂H₂、C₂H₄、C₃H₄和1-C₄H₆静态结合能E_b值分别为-49.9、-27.0、-55.5和-51.6kJ mol⁻¹，与之前测量的Q_st值较为一致。

要点：图4a为1.4 g JNU-3a在298 K下，流速为4.0 ml min−1时，对C₂H₂/C₃H₄/1-C₄H₆/C₂H₄ (1:1:1:97)混合物的穿透曲线图，C₂H₄在24 min g^–1时迅速被洗脱，而C₂H₂、1-C₄H₆和C₃H₄被捕获，并且分别在252、254和279 min g⁻¹时才穿透色谱柱。在24-252min内，可得到超高纯度（>99.9995%）的C₂H₄，产率为841.4 ml g⁻¹。经过12次穿透循环后，各组分的穿透时间基本不变，表明JNU-3a具有耐用性和可回收性（图4b）。在相对湿度为50%和在干燥但不同流速条件下的穿透实验结果表明，JNU-3a在这些条件下都能得到超高纯度（>99.9995%）的C₂H₄，表明其具有可行性和稳定性（图4c-f）。

要点：为了探究材料潜在的工业发展，本文对107克JNU-3a进行了实验室规模的中试规模柱穿透实验，并使用气瓶（容量为8升）进行排气收集（图5a）。在室温下可通过单个吸附步骤从不同比例的C₂H₂/C₃H₄/1-C₄H₆/C₂H₄混合物中收集高纯度C₂H₄(≥99.9995%)（图5b、d-f和）。分别通过重量测量和气相色谱测定气瓶中收集的C₂H₄的量和纯度。特别是，在120 ml min⁻¹ 的流速下，经过30个循环，从C₂H₂/C₃H₄/1-C₄H₆/C₂H₄混合物(1:1:1:97)中平均获得了76.1±1.3g高纯度C₂H₄（图5c），相当于标准条件下569 ml g⁻¹的生产率。

结论与展望

原文链接：https://doi.org/10.1038/s44286-023-00004-2