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研究发现控制气体在多孔材料扩散的“局域柔性”材料
《中国科学报》记者 高雅丽 / 时间:2019-01-30 11:51:46

  据科学网2019年1月28日讯 1月25日,一项发表于《科学》杂志的研究利用金属—有机框架(MOF)材料这一设计性极高的结构平台,在刚性骨架的MOF的笼状孔壁上编入温度响应的动态“开关”,通过控制孔壁微扰来控制气体分子在多孔材料中的扩散。

  论文第一作者、华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室研究员顾成告诉《中国科学报》:“新材料具有温度控制的吸附特性,这种独特的吸附性质不仅能让材料在较高温度下进行相似气体的动态筛分,也可以实现常温常压下气体的物理存储。”


研究发现控制气体在多孔材料扩散的“局域柔性”材料

(A)通过动态孔道控制气体扩散的原理示意图。(B) 1a的晶体结构。 (C) 1a的孔道结构。(D) 温度响应的层内扩散控制示意图;低温下OPTz单元形成的“门”关闭,气体分子无法扩散,高温下通过热振动打开“门”,气体分子进行层内扩散。


  根据热力学定律,随着温度升高,多孔材料对气体的吸附量会降低。但是MOF材料在各种气体的沸点温度附近几乎没有任何吸附,随着温度升高气体吸附量逐渐升高并达到最大值,之后随温度升高气体吸附量又逐渐降低。研究人员发现,这是热力学控制的骨架—气体相互作用力和动力学控制的扩散限制相互作用的结果。

  研究人员设计了一种蝴蝶型配体,在间苯二甲酸的5-位上引入氧化吩噻嗪,这是一种可以有效发生热振动的单元。氧化吩噻嗪的热振动引起的微扰已足够为气体分子扩散打开“大门”。由于MOF材料引入了动力学控制,在不同的温度下,“大门”打开的幅度也不相同。

  研究人员将该MOF材料填充分离柱,测试了氧气/氩气和乙烯/乙烷的分离效果。结果显示,在180K、混合气中氧气含量仅为5%的情况下,MOF材料对氧气的纯化比例仍能达到95%。在273K下混合气中乙烯含量仅为5%的情况下,纯化比例仍能达到80%。