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聚合物级丙烯（C₃H₆）是现代工业中至关重要的根底化工原料，其出产标准要求纯度高于99.5%。但是，从裂解气中取得的丙烯一般混杂着丙炔（C₃H₄）、丙二烯（C₃H₄ (PD)）和丙烷（C₃H₈）等多种性质类似的杂质。现在工业上依靠催化加氢和低温蒸馏的串联工艺进行纯化，进程杂乱且能耗巨大。吸附别离技能被视为一种潜在的节能代替计划，但长期以来，开发一种可以一起捕获一切类型杂质、完成一步纯化的单一物理吸附剂，一直是一个巨大的应战。
近来，浙江大学邢华斌教授、杨立峰研讨员课题组规划并合成了一种新式金属-有机结构资料ZU-921，成功完成了从包含丙炔、丙二烯、丙烷和丙烯的四元混合气中一步别离得到高纯度丙烯。该资料经过配体工程战略，奇妙整合了芳香外表与氟/氧电负性位点，构建出协同结合环境，可以优先吸附除方针产品丙烯外的其他三种组分。试验标明，运用ZU-921可直接从模仿工业组成的气体中产出纯度高达99.99%的丙烯，展现出巨大的工业使用潜力。相关论文以“One-step propylene purification from a quaternary mixture by a single physisorbent”为题，宣布在
为完成这一方针，研讨团队首要深入分析了四种C3气体的物理化学性质差异。丙烷极性最弱但极化率最高，丙炔和丙二烯则具有强极性但极化率较低，而丙烯的各项性质介于它们之间。这在某种程度上预示着，要一起优先捕获这三类性质各异的分子，吸附剂需求一种可以协同呼应极化率（主导范德华效果）和偶极/四极矩（主导静电效果）的复合结合环境。研讨示意图明晰地阐释了这一规划理念：将一个以芳香环为根底、拿手经过色散效果捕获丙烷的“圈套”，与一系列可调控密度的氧/氟电负性位点相结合。经过准确调控这些平行散布的电负性位点密度，可以精密调整资料对不同气体的结合亲和力次序，最终使丙烯成为结合最弱的组分，然后在混合物中被优先穿透别离。
图1. 用于一步法丙烯纯化的吸附剂规划及吸附行为示意图。 (a) C₃H₄、C₃H₄ (PD)、C₃H₆和C₃H₈的性质差异。(b) 吸附剂规划战略示意图。将O/F电负性位点引进根据芳环的丙烷捕获圈套，以构成协同结合环境；并经过操控引进的电负性位点密度来微调四种C3气体的结合亲和力次序。(c) 在最优协同相互效果环境下，C₃H₄、C₃H₄ (PD)、C₃H₆和C₃H₈的吸附行为。C₃H₄和C₃H₄ (PD)因其更高的极性而与O/F位点表现出更强的亲和力；而C₃H₈比较C₃H₆，能与芳环位点及O/F位点构成更密布的相互效果。
为了验证这一战略，团队合成了一系列结构相同但功用基团不同的同构MOFs资料（ZU-921至ZU-924）。结构示意图显现，这些资料具有一维直通孔道，孔道内平行摆放的异苯二甲酸单元供给了芳香相互效果外表。经过改动连接体上氟原子的数目和摆放，可以体系地调理孔道外表的静电势，然后改动其与极性分子的相互效果强度。这种准确的“孔道化学”调控是完成选择性捕获的要害。
功能测验成果令人振奋。关于ZU-921，在298K和整个压力范围内，其对丙炔、丙二烯和丙烷的单组分吸附量均高于丙烯。理论核算的选择性数据标明，ZU-921对丙烷/丙烯、丙炔/丙烯、丙二烯/丙烯二元混合物均表现出高于2.0的选择性，而比照资料（如仅含芳香位点的ZU-922或高密度氟位点的ZU-924）均无法一起完成这三种选择性。这证明，只要将芳香效果位点与“适量”的电负性位点有机结合，才干创造出可以辨认并捕获一切杂质的抱负协同环境。
动态穿透试验更是直接证明了ZU-921的实践别离效能。无论是模仿工业裂解气组成的四元混合物（C₃H₄/C₃H₄(PD)/C₃H₈/C₃H₆ = 1/1/3/95），仍是各组分等量的四元混合物，在流经装有ZU-921的吸附柱后，高纯度丙烯总是最早穿透流出，而三种杂质则被吸附并随后一起或相继脱附。特别值得一提的是，在十倍增大的吸附柱（1.0 cm × 50 cm）中进行的扩大试验成功重复了这一功能，丙烯产率可达约17.27 L/kg，而且资料经过屡次循环运用后功能保持稳定，展现了杰出的工业化使用远景。
为了从分子层面了解别离机理，团队进行了密度泛函理论核算。模仿图明晰地展现了四种气体分子在ZU-921孔道内的最优化结合构型。丙炔和丙二烯经过其带强正电的炔氢或烯氢，与骨架上的氟、氧原子构成多个较强的C-H···F/O氢键。丙烷分子则凭仗其更多的氢原子，与芳香环及电负性位点之间构成了数量更多、散布更密布的范德华效果和弱氢键网络。比较之下，丙烯分子与骨架的相互效果数量较少且强度较弱。核算得到的结合能次序与试验揣度的吸附亲和力次序完全一致，从原子标准印证了协同结合环境的规划成功。
这项研讨不只展现了一种用于规划多功用吸附剂的通用战略，即经过配体工程准确调控多孔资料的结合位点类型与密度，以一起捕获性质各异的多种杂质；更重要的是，它供给了一种高效节能的丙烯纯化新途径，有望代替当时杂乱且高能耗的工业级联工艺。ZU-921的成功研发，标志着吸附别离技能在应对杂乱气体别离应战方面迈出了要害一步，为简化化工别离流程、下降能耗展现了宽广的使用远景。
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