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南开大学张振杰课题组JACS：flu新拓扑三维COFs用于丙炔/丙烯高效分离

发布日期：2023-10-08 来源：贝士德仪器

作为一种新兴的晶态多孔材料，共价有机框架（COFs）主要由非金属轻元素通过共价键连接而成，具有低密度、高比表面积、高孔隙率和丰富的非极性孔道，在气体分离方面具有重要的应用前景。然而到目前为止，还没有关于COFs应用于丙炔/丙烯分离方面的报道。与通常具有较大孔道尺寸（>2 nm）、一维非贯穿孔道的二维COFs相比，三维COFs具有丰富的微孔环境、相互贯穿的孔道结构、良好的结构稳定性，使其在气体分离方面具有明显的应用优势。例如，南开大学张振杰课题组通过[8+2]的单体连接方式合成一系列具有bcu拓扑的三维COFs，其表现出良好的乙烷/乙烯分离性能（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 5643，点击阅读详细）。近年来，三维COFs领域获得了较快的发展，许多新的拓扑结构和成键方式被陆续报道。然而，受限于构筑单体和拓扑结构单一以及COF结构确定方面的巨大挑战，三维COFs在气体分离方面的应用仍处于起初阶段。因而，开发具有规整的微孔结构和特异性吸附位点的三维COFs应用于气体分离，具有重要的科研和应用价值。

南开大学化学学院张振杰课题组长期从事多孔框架材料吸附/分离方面的研究，在本工作中利用独创的八醛基单体，通过[8+4]的单体连接方式设计合成了两例三维COFs（NKCOF-36和NKCOF-37）。并通过连续旋转电子衍射（cRED）、高分辨HRTEM电镜、粉末衍射精修、氮气吸附再结合结构模拟，最终确定了NKCOFs具有罕见的flu新拓扑。NKCOFs对丙炔表现出明显的吸附选择性。混合气体的穿透实验结果表明NKCOFs可以实现丙炔/丙烯的高效分离，进而获得聚合物级纯度的丙烯。这一工作不仅填补了COFs在丙炔/丙烯分离方面的研究空白，而且为设计合成新的三维COFs提供了借鉴。

图1. 通过[8+4]的单体连接方式构筑具有flu拓扑的三维COFs。

图2. (a, b) NKCOFs的PXRD谱图以及结构图示；(c) NKCOF-36的三维电子衍射数据；(d, e) NKCOFs的HRTEM图像

图3. (a, b) NKCOFs的氮气77 K等温吸-脱附曲线和孔径分布; (c, d) NKCOFs在298 K下丙炔、丙烯单组分吸附曲线；(e-f) NKCOFs对丙炔/丙烯(1/99, v/v)混合气体的穿透曲线

该工作发表在Journal of the American Chemical Society上。论文的第一作者为博士毕业生靳法征（现为天津理工大学副研究员），通讯作者为张振杰研究员，文章中NKCOFs结构的确定由博士研究生林恩帮助完成，也特别感谢上海科技大学马延航教授对cRED数据分析的指导。

Rationally Fabricating Three-Dimensional Covalent Organic Frameworks for Propyne/Propylene Separation

Fazheng Jin, En Lin, Ting Wang, Shubo Geng, Liqin Hao, Qianqian Zhu, Zhifang Wang, Yao Chen, Peng Cheng, and Zhenjie Zhang*

J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.2c10548

导师介绍

张振杰

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