本技术介绍了一种稀土簇基金属有机框架材料,专门用于高效分离丙烯和丙烷气体。该材料以其独特的化学式RE<sub>a</sub>,展现了卓越的分离性能。通过详细的制备方法,可以大规模生产这种材料,为工业气体分离提供创新解决方案。
背景技术
金属-有机框架(MOF)是由金属作为晶体中心、配位有机化合物作为配体,通过配位键相结合自组装得到的多孔结构晶体材料。与传统无机材料相比,MOF材料具有孔结构规则、孔隙率高、比表面积大、结构和性能多样和可调节等特点,上述这些特性使其在储气、气体分离、催化、发光、传感以及生物医学等领域具有重要的应用前景。
丙烯和丙烷作为两种常见的烃类化合物,由于二者在结构上非常相似,故两者的筛分是目前烃类气体中最难以实施的。丙烯和丙烷的分离难度主要取决于它们之间物理性质的相似程度,二者之间的沸点相差较小,且动力学半径相似,导致其极其难分。
在石油化工行业中,丙烯在制造各种消费品方面发挥着关键作用。目前,丙烯主要是通过碳氢化合物的热裂解或催化裂化生产得到的,其中丙烷作为副产物共存。由于丙烯和丙烷的挥发性差异很小,采用低温精馏分离技术进行筛分被认为是商业化技术手段中最耗费能源的单一精馏技术。因此,亟需开发一种低能量投入、低碳排放的替代分离方法。近年来,利用多孔固体吸附剂在环境条件下进行气体的吸附分离是一种极具应用前景的解决方案。
现有技术公开了4A沸石分子筛和5A沸石分子筛通过采用类似丙烷和丙烯分子尺寸的孔径,可以实现二者之间的分离。4A沸石分子筛可以吸附丙烯,但不吸附丙烷,然而其对丙烯的吸附动力学缓慢,从而限制了4A沸石分子筛的适用性。相比之下,5A沸石分子筛能够容纳丙烷和丙烯两种气体,并且能够通过热力学筛分上述两种气体,但其本身的选择性非常低,为~2。而MOF材料由于其具备高度可调的孔隙结构,在气体吸附分离领域中具有广泛的应用前景。此外,具有目标官能团和/或孔径的MOF材料可以通过拓扑定向孔径调节来进行设计,这对于是否能够实现预期的性能是至关重要的。
如今,诸多MOF材料已经被应用于丙烷/丙烯气体的吸附分离,其中一些MOF材料的分离效率要高于传统吸附剂的分离效率。这些MOF材料主要可以分为两类:第一类是利用特定种类的吸附位点来选择性地吸附丙烯,例如MOF-74/CPO-27材料在其通道上具有丰富的不饱和金属配位位点,可以选择性地与丙烯而并非丙烷结合;第二类是选择具有最佳孔径的MOF材料作为分裂剂,表现出动力学分离或更理想的选择性分子排斥,例如KAUST-7材料和Co-没食子酸盐材料,它们可以选择性地吸附丙烯,但由于扩散区域受限而不吸附丙烷,其行为与4A沸石分子筛相似。
迄今为止,具有不饱和金属配位中心的MOF材料在这些位置快速饱和时通常表现出有限的选择性。相反,少数表现出选择性分子排斥的MOF材料具有高选择性,但由于其有限的孔隙度,本身的自然吸附容量也相应较低(通常&lt;2mmol/g)。
因此,在本领域中,亟需开发一种具有高吸附能力和高选择性的高效气体吸附剂。
实现思路