通过金属有机框架中的孔笼工程实现高效的全氟化丙烯/丙烷分离

本研究设计了一种新型笼状金属有机框架（MOF）材料JXNU-22及其甲基修饰衍生物JXNU-22(Me)，通过调节配体结构精准调控圆柱笼尺寸，实现六氟丙烷与八氟丙烷的高效选择性吸附分离，纯度达99.999%，产率达321.7 L kg?1，并建立笼工程策略优化MOF孔结构。

　　

摘要

从C₃F₆/C₃F₈混合物中分离全氟丙烷（C₃F₈）这种电子特种气体是一个具有挑战性的问题，因为这两种物质的物理性质相似，且C₃F₈的工业纯度标准非常严格。我们介绍了一种基于笼状结构的金属有机框架（MOF）——JXNU-22，它由[Fe₂Co(μ₃-O)]簇通过4-(1H-四唑-5-基)苯甲酸和2,4,6-三(4-吡啶基)-1,3,5-三嗪（TPT）连接剂连接而成，该框架包含三角双锥形和圆柱形笼状结构。通过用1,3,5-三甲基-2,4,6-三(4-吡啶基)苯（MTPB）替代TPT，可以精确调控圆柱形笼子的几何形状，从而得到JXNU-22(Me)。JXNU-22和JXNU-22(Me)的C₃F₆吸附量分别为140.8 cm³ g^?1（298 K，1 bar）和138.3 cm³ g^?1（298 K，1 bar），远超任何已报道的多孔材料。MTPB配体上的甲基基团使其外围吡啶环能够旋转，形成收缩的圆柱形笼子，这种结构对C₃F₈具有尺寸排他性，从而显著提高了JXNU-22(Me)对C₃F₆/C₃F₈的选择性。实验结果表明，使用JXNU-22(Me)可以从C₃F₆/C₃F₈混合物中高效提取纯度高达99.999%的C₃F₈，产率为321.7 L kg^?1。计算结果表明，富含氢原子和芳香基团的理想笼状结构是MOF高效吸附C₃F₆的关键。这项工作不仅创下了多孔材料中C₃F₆吸附量的新纪录，还为MOF的孔结构设计提供了一种策略性方法。