用于同时实现丙烯和丙烷热力学与动力学协同高效分离的微孔金属有机框架

为何更清洁的塑料生产至关重要

丙烯是许多日常塑料的构件，从食品包装到汽车零件。获得高纯度丙烯通常需要在大型工业塔中进行耗能的冷却和精馏步骤。本研究探索了一种新的海绵状材料，能以更高效的方式将丙烯与其密切的化学同类丙烷分离，有望在常见商品的生产中减少能源消耗和排放。

为艰难筛分任务设计的微小筛子

丙烯和丙烷尺寸与质量几乎相同，这使得用标准方法将它们分离十分困难。今天工业上依赖将大批气体混合物冷却到低温并进行精馏，这一过程消耗大量能源。科学家一直在寻找作为可重复使用过滤器的多孔固体——能够抓住一种气体而让另一种通过。许多候选材料要么吸附量大但释放缓慢，要么分离能力强但在实际应用中运行速度太慢。

设计一个门、走廊和储藏室

研究人员制备了一种新的金属有机框架，命名为 ZSTU-10，它表现得像为气体分子精心规划的建筑。入口处有微小的门，门孔刚好够丙烯通过但对丙烷则略显狭窄。在每个门后面是短通道，允许丙烯快速移动，通道通向更大的中央腔室，气体可在此紧密堆积。这种由门、通道和腔室组成的三段式布局使该材料能阻挡丙烷、加速丙烯迁移并在小体积内储存异常大量的丙烯。

新型过滤材料的性能如何

测量表明，ZSTU-10 在单位体积上可以储存几乎相当于液态丙烯的丙烯量，尽管这些气体是在室温和中等压力下储存的。与此同时，丙烷几乎完全被排斥在外。丙烯在该材料中移动的速度远高于大多数其他筛分材料，意味着气体不会滞留在材料内部。对丙烯结合力既足够强以实现有效捕获，又足够弱以便之后释放的平衡，表明该材料可在不产生巨大能耗的情况下多次重复使用。

将材料投入测试

为模拟真实的工业工况，团队将丙烯/丙烷混合气通过填充有 ZSTU-10 的柱子。丙烷先行逸出，而丙烯被滞留，随后作为高纯度流释放，纯度超过 99%。每个循环中捕获的丙烯量高于若干领先竞争材料。值得注意的是，该框架在空气、水、酸、碱和常见有机溶剂中保持稳定，并在多次捕获与释放循环中保持性能，表明它能够经受住严苛工厂环境的考验。

这对未来气体分离意味着什么

这项工作表明，精确设计到单分子尺度的孔结构可以克服材料储存能力与气体传输速度之间长期存在的权衡。通过在一个固体中结合尺寸选择性的门、快速通道与宽敞腔室，ZSTU-10 提供了一种在近室温下高效分离丙烯与丙烷的方法。如果放大应用，此类材料可帮助化工厂降低生产塑料关键原料的能耗和成本，同时为解决其他难分离气体问题提供通用的设计策略。

引用: Wang, X., Bao, L., Li, JH. et al. Microporous MOF for simultaneous high thermodynamic and kinetic synergistic separation of propylene and propane. Nat Commun 17, 4349 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71104-9

关键词: 丙烯分离, 丙烷, 金属有机框架, 气体净化, 分子筛选