©北京泰科博思科技有限公司   /   京ICP备09107432号-1   /   网站建设:中企动力 北京

解决方案

Solution

>
>
>
【MS应用实例】太原理工李晋平/李立博教授成果:通过孔环境功能化促进UiO-66框架中乙炔的分子识别
产品名称

【MS应用实例】太原理工李晋平/李立博教授成果:通过孔环境功能化促进UiO-66框架中乙炔的分子识别

所属分类
产品中心
联系我们
相关资料
方案详情
行业
材料
分类
Materials Studio

摘要:

金属有机骨架材料(MOFs)在气体分离过程中的应用潜力已得到广泛认可。然而,由于其结构不稳定和高成本,很少有MOFs被用于工业。其中,UiO-66具有良好的结构稳定性和经济的制备方法,是最有前途的材料之一。值得注意的是,它还为构建适用于各种应用的其他健壮MOFs提供了一个宝贵的平台。本文将三氟甲基配体引入到UiO-66框架中,以优化孔隙环境,提高其对C2H2的识别能力。单组分吸附及相应的IAST计算结果表明,与UiO-66相比,UiO-66-(CF3)2对C2H2/C2H4和C2H2/CO2的分离选择性提高了2~3倍。选择性的增强显著提高了C2H4分离效率(56cm3/cm3相比36 cm3/cm3),并减少了共吸附时间。重要的是,改进后的UiO-66框架可以使用简单的方法制备,并继承了原始材料的高度稳定的结构和良好的循环性能。

 

言:

随着碳排放、能源消耗和工业增长的不断增加,近年来,新材料的开发以满足当前工业需求引起了人们的极大关注。在本研究中,用三氟甲基官能团对UiO-66进行功能化修饰孔隙空间,引入吸附位点,以提高对C2H2对C2H4和CO2的选择性识别。与原始的UiO-66相比,改性后的UiO-66-(CF3)2的孔径减小,C2H2分子间的相互作用增强。因此,C2H2/C2H4和C2H2/CO2选择性显著提高。减少共吸附时间,提高C2H2/C2H4 (1/99, v/v)和C2H2/CO2 (50/50, v/v)分离效率。李晋平教授团队认为,结构改造和孔隙控制策略将使有前景的MOFs在工业气体分离过程中的应用成为可能(图1)。

 

果与讨论:

通过x射线衍射(PXRD)评价了不同处理后的uito -66-(CF3)2的相纯度和稳定性。从图2a可以看出,合成时的UiO-66-(CF3)2的实验PXRD图谱与基于UiO-66单晶结构模拟的图谱是一致的。这表明成功制备了UiO-66-(CF3)2,合成的材料具有与UiO-66相同的晶体结构。此外,UiO-66-(CF3)2的晶体形貌如图2b所示。值得注意的是,其八面体形貌与UiO-66相似,晶体尺寸测定在~ 400 nm。材料的稳定性是衡量其工业适用性的一个重要指标。从不同条件下处理的UiO-66-(CF3)2的PXRD结果可以看出(图2a),其模式与原始样品一致。

 

比表面积和孔径是多孔材料在气体分离领域潜在应用的重要指标。因此,研究了UiO-66和UiO-66-(CF3)2的N2吸附(77 K)等温线,比较了它们的孔隙结构。从图2d中可以看出,UiO-66对N2的吸附量在393cm3/cm3以上,而UiO-66-(CF3)2的吸附量则下降到330cm3/cm3左右。UiO-66和UiO-66-(CF3)2的Brunauer Emm ett Teller(BET)比表面积分别为960和467 cm2/g。两种材料的N2吸附容量和比表面积的差异主要是由于三氟甲基占据了UiO-66的原始孔隙空间。

 

为了模拟工业净化过程的组成,李晋平教授团队评估了C2H2/C2H4(1:99,v/v)和C2H2/CO2(50:50,v/v)气体混合物,总气压为1bar和298 K。从图3d,e中可以看出,从没有经过分子识别的结构来看,UiO-66的C2H2/C2H4和C2H2/CO2IAST选择性均为~5。相比之下,UiO-66-(CF3)2对>C2H2/C2H4混合物为大于18.4,C2H2/CO2混合物为16.0。因此,改性材料显示出2 3倍的选择性提高。

 

为了更好地了解C2H2分子与UiO-66和UiO-66-(CF3)2框架的相互作用强度,基于288、298和298 K的吸附数据,利用克劳修斯克拉佩龙方程计算了C2H2的等位吸附热(Qst)(图4a, b)。UiO-66和UiO-66-(CF3)2在低负载下的Qst分别为32和43kJ/mol(图4c, d)。

 

为了进一步研究UiO-66和UiO-66-(CF3)2的选择性,李晋平教授团队通过GCMC计算确定了这两种结构中的C2H2吸附位点。C2H2在298K和1bar条件下吸附达到平衡后的具体空间概率分布如图5所示。C2H2分子均匀分布在UiO-66的孔隙中。密集的C2H2分布密度导致网络的形成。此外,在UiO-66-(CF3)2中,C2H2分子主要集中在三氟甲基附近。

 

如图6a,b所示,对于UiO-66-(CF3)2, C2H4或CO2在大约10分钟后首先通过床层洗脱(黑色曲线)。相比之下,C2H4或CO2通过床层洗脱UiO-66的时间为>35min(红色曲线)。这是由于UiO-66-(CF3)2降低了C2H4和CO2的吸附能力,大大缩短了共吸附时间,提高了分离效率。

 

本文研究了一种简单的含片剂机的UiO-66-(CF3)2成型工艺。从图7a中可以看出,材料在5 MPa压力下成型后得到了均匀的UiO-66-(CF3)2片。此外,不同压力下成型的UiO-66-(CF3)2片的PXRD图谱与原始材料的图谱一致(图7b)。由图7c, d总结的结果可知,UiO-66-(CF3)2对C2H2的吸附量仅略有下降,C2H2/C2H4和C2H2/CO2的IAST选择性保持不变(>16)。

 

总结:

综上所述,为这些材料在工业分离过程中的应用实现了一种精确微调MOFs形状和功能的可行策略。在UiO-66中引入三氟甲基,形成了UiO-66- (CF3)2,其孔洞比UiO-66小。此外,该材料与C2H2具有多种结合作用。优化后的孔隙环境显著降低了C2H4和CO2的吸附,C2H2/C2H4和C2H2/CO2的选择性分别从~ 5提高到18.4和16.0。此外,与UiO-66相比,UiO-66- (CF3)2在环境条件下分离C2H2/C2H4和C2H2/CO2混合物时,共吸附时间显著缩短(>大于60%),分离时间显著延长(>38%)。值得注意的是,改性后的MOF结构具有良好的可回收性和成型后的稳定性能,显示了该材料用于工业C2H2分离的潜力。

 

文章详情:https://doi.org/10.1016/j.ces.2021.116572

 

作者简介:

李晋平男,1964年生,山西大宁人,中共党员,工学博士,教授,博士生导师,中国化工学会会士,新世纪百千万人才工程国家级人选,享受国务院政府特殊津贴专家。现任太原理工大学党委副书记,气体能源高效清洁利用山西省重点实验室主任,山西省煤层气高效开采与利用协同创新中心主任。

主要从事气体能源高效清洁利用的研究:围绕煤基能源气体清洁高效利用,创制了CH4/N2高效分离吸附剂,研发设计了变压吸附分离装置及相关工艺;利用金属有机骨架材料独特的分子识别效应,创制了乙烷/乙烯反转分离吸附剂,研制的系列新型吸附剂实现了低碳烃分离高效分离;以绿氢规模化利用为背景,系统研究了其制-储-用关键科学问题,创制了温和条件下光电水解制氢的系列高效的阳极析氧/析氢催化剂,提出点源限域分布式灰氢利用方案、构建风/光电制绿氢,储氢变储能,输氢变输电氢能新体系。

 

李立博,男,1986年生,河南洛阳人,中共党员,博士,教授,博士生导师。2010年毕业于河南师范大学,化学工程与工艺专业,获工学学士学位。2015年,硕博连读毕业于太原理工大学,化学工程与技术专业,获工学博士学位。2015年至今,在太原理工大学化学化工学院工作。2016至2018年,受国家留学基金资助,赴美国德州大学圣安东尼奥分校Banglin Chen教授课题组,进行了两年的博士后研究。2018年12月,归国回到原单位,晋升为教授。2019年获批国家优秀青年基金,荣获侯德榜化工科学技术青年奖,入选山西省“三晋英才”拔尖骨干人才,山西省青年拔尖人才,山西省高等学校中青年拔尖创新人才等。

 

公司简介:

北京泰科博思科技有限公司(Beijing Tech-Box S&T Co. Ltd.)成立于2007年,是国内领先的分子模拟及虚拟仿真综合解决方案提供商。

 

北京泰科博思科技有限公司与国际领先的模拟软件厂商、开发团队深入合作,为高校、科研院所和企业在材料、化工、药物、生命科学、环境、人工智能及数据挖掘、虚拟仿真教学等领域提供专业的整体解决方案。用户根据需要在我们的平台上高效的进行各种模拟实验,指导实际的生产设计。

 

北京泰科博思科技有限公司拥有一支一流的技术服务团队和资深的专家咨询团队,以客户真正需求出发,服务客户,为客户创造价值。我们秉承“职业、敬业、担当、拼搏、合作”的企业精神,致力于用国际领先的软件产品和专业全面的技术支持服务,成为客户可信赖的合作伙伴。 

未找到相应参数组,请于后台属性模板中添加
暂未实现,敬请期待
暂未实现,敬请期待

更多解决方案

——

【COSMOlogic应用实例】COSMO-RS模型的扩展
【COSMOlogic应用实例】COSMO-RS模型的扩展
COSMOlogic COSMOtherm
 【MS应用实例】Materials Studio软件在固体物理教与学中的应用
【MS应用实例】Materials Studio软件在固体物理教与学中的应用
BIOVIA Pipeline Pilot Materials Studio
【DS应用实例】药物设计-为生成设计增加一个维度
【DS应用实例】药物设计-为生成设计增加一个维度
Discovery Studio
【COSMOlogic应用实例】COSMOtherm软件在化工热力学教学中的应用
【COSMOlogic应用实例】COSMOtherm软件在化工热力学教学中的应用
COSMOtherm COSMOlogic
【MS应用实例】桂林理工大学钟志贤教授成果展示:基于Materials Studio氮化硅稳定性分析
【MS应用实例】桂林理工大学钟志贤教授成果展示:基于Materials Studio氮化硅稳定性分析
Materials Studio Pipeline Pilot
CMC–Today and in the Future
CMC–Today and in the Future
COSMOlogic Materials Studio