精確控制沸石孔實現炔烴/烯烴高選擇性分離

近日,南開大學李蘭冬研究員團隊、曼徹斯特大學楊四海教授和大連化物所分子反應動力學國傢重點實驗室、大連光源科學研究室江凌研究員團隊合作,利用自主研制的紅外光解離實驗裝置,成功表征瞭關鍵反應中間體,揭示瞭鎳負載八面沸石催化劑對炔烴/烯烴化學選擇性吸附分離的深層次機制。

南開大學今日《Science》:精確控制沸石孔實現炔烴/烯烴高選擇性分離

反應中間體的探測與表征是詮釋化學反應機理的關鍵。

然而,這些反應中間體的數量密度低、壽命短、結構復雜,對它們的實驗研究非常困難,往往需要高靈敏度、高時間分辨以及對結構敏感的譜學等探測方法。

江凌團隊將高分辨率質譜與光參量振動激光器相結合,自主研制瞭具有國際先進水平的紅外光解離光譜(Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20, 25583),可原位/在線高靈敏探測關鍵反應中間體的組成與結構,對詮釋催化反應機制具有重要作用。

低碳烯烴是化學工業中最基本的原料之一(產能接近4億噸/年),其生產過程會引入少量炔烴雜質,對其聚合與後續加工產生極大影響。高效去除炔烴雜質、生產聚合物級低烯烴對許多工業過程非常重要,是具有極大挑戰性的國際前沿科學問題。

南開大學今日《Science》:精確控制沸石孔實現炔烴/烯烴高選擇性分離

近期,南開大學李蘭冬課題組設計合成瞭鎳負載八面沸石催化劑(Ni@FAU),它在乙炔/乙烯、丙炔/丙烯、丁炔/丁二烯等分離過程中均表現出高炔烴動態吸附容量(1.58~1.80 mmol/g)與炔烴/烯烴分離選擇性(83~100)。Ni@FAU同時表現出優異的循環穩定性,且對操作條件(溫度、壓力、氣體濃度、雜質等)不敏感,可滿足工業吸附分離的基本要求。

江凌團隊利用自主研制的紅外光解離實驗裝置,對Ni@FAU對乙炔/乙烯的吸附機制進行瞭研究,成功探測到瞭Ni(C2H2)3,然而並沒有發現Ni(C2H4)n。該實驗結果證實,Ni@FAU對乙炔具有較高的吸附選擇性,具有在混合氣流中去除痕量乙炔的分離能力,確認瞭基於化學鍵的炔烴/烯烴分離的新策略,有望推動Ni@FAU分子篩材料在相關工業吸附分離過程中的應用。利用先進的譜學技術從分子、團簇、表界面多層次揭示能源小分子與催化劑的化學反應規律,為新型高效吸附催化材料的設計開發提供瞭新的思路。

相關成果發表在《科學》(Science)上。該工作得到國傢自然科學基金委“動態化學前沿研究”科學中心項目資助。

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