乙烯(C2H4)是最重要的一個工業產品,2016年大於1.5億噸的產量水平。乙烯的高純度製備在化工原料生產中起著舉足輕重的地位。目前,C2H4 原料主要由蒸汽裂化反應,首先採用貴金屬催化劑在高溫高壓下催化加氫脫除乙炔(C2H2)，然後採用低溫蒸餾從C2H4中分離乙烷。傳統的乙烯提純方法步驟繁瑣且耗能較高，使用物理吸附劑代替傳統工業方法可以大幅降低能耗，基於強大的孔結構調控特性，MOF已經成為一類具有巨大應用潛力的物理吸附劑。由於乙烷、乙烯及乙炔三種C2氣體的理化性質十分相近，從三組分混合體系中一步分離製備乙烯一直是多孔分離領域的難題。

2019年，引入了增效吸附劑分離技術(SSST)的概念，陳凱傑教授團隊利用多組分MOF串聯的方式，首次實現了乙烯從三組分和四組分混合氣體中的一步分離純化（Science, 2019, 366, 141）。透過在固定床吸附劑中串聯包裝三個MOMs，實現了三元混合物(C2H2-C2H4-C2H6)和四元混合物(C2H2-C2H4-C2H6 - CO2)的高純乙烯生產。在SSST中，選擇三種基準吸附劑(SIFSIX-3-Ni, TIFSIX-2-Cu-i, and Zn-atz-ipa)分別去除CO2、C2H2和C2H6。

近期，西北工業大學陳凱傑教授研究團隊繼續在C2烴類分離方面取得重要研究進展，成功合成三例含雙籠狀孔腔的金屬有機框架材料（命名為NPU-1, NPU-2, NPU-3），並實現了從乙烷/乙烯/乙炔三組分混合氣體中一步製備高純度乙烯。該項研究成果以“Pore Engineering for One-Step Ethylene Purification from a Three-Component Hydrocarbon Mixture”為題發表在國際著名期刊J. Am. Chem. Soc.上。

該論文報道了三個新的同結構多孔配位網路(NPU-1, NPU-2, NPU-3;NPU代表西北工業大學(Northwestern polytechnic University))，它是由9個連線節點支撐的，這些節點基於組成[Mn6(μ3-O)2(CH3COO)3]6+的六核金屬簇。NPU-1/2/3展示了一種雙籠結構，該結構在籠尺寸上進行了系統微調，實現了C2H2和C2H6對C2H4的選擇性吸附。動態突破實驗表明，NPU-1從1:1:1 C2H2/C2H4/C2H6三組分混合物中生成純度為99.9%的>乙烯。分子模擬研究表明,雙重吸附乙炔和C2H6 C2H4偏愛源於(a)電負性羧酸鹽O原子和乙炔分子在一個籠子裡的強烈的氫鍵相互作用,(b)宿主網路的有機鍵與第二籠中的C2H6分子之間的多重非共價相互作用。

總之，論文報道了一種新的六核金屬簇，[Mn6(μ3-O)2(CH3COO)3]6+，它可以作為三個多孔協調網路(NPU-1/2/3)的節點，具有相同的pacs拓撲結構和高連線性。雙孔籠的孔徑和孔化學性質受連線體取代的控制，為C2H2、C2H6和C2H4的有效分離提供了合適的孔環境。因此，NPU-1可以在室溫條件下用1:1:1的C2H2/C2H4/C2H6氣體混合物一步生產聚合物級乙烯。透過分子模擬描繪的吸附劑-山梨酸鹽相互作用揭示了NPU-1的雙籠性質是觀察到的效能的原因。

論文連結：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c11247