Inorg. Chem.： 多重互穿Cu-MOF高效捕獲C?H?實現低碳分離

乙炔（C?H?）作為一種重要的工業原料和燃料，在電子和石油化工行業中具有廣泛的應用。其生產過程中常伴隨著二氧化碳（CO?）等副產物的生成，而由于乙炔和二氧化碳分子在尺寸、形狀及物理性質上高度相似，傳統分離方法如低溫蒸餾、部分氫化和溶劑提取等存在能耗高、成本大的問題。因此，開發高效、節能的吸附分離材料成為當前研究的重點。金屬有機框架（MOFs）因其可調控的孔結構、高比表面積和功能化位點，在氣體吸附與分離領域展現出巨大潛力。

中山大學韋張文團隊成功開發了一種新型多重互穿Cu-MOF LIFM-290，該材料憑借其獨特的開放金屬位點和一維通道結構，實現了對乙炔的高效選擇性吸附與分離。通過系統的吸附測試、動態穿透實驗和理論模擬，他們不僅驗證了材料在實際工況下的優異性能，還深入揭示了其分離機制。這項研究為開發下一代節能型氣體分離材料提供了重要思路，具有廣闊的應用前景和科學價值。研究成果發表于國際期刊《Inorganic Chemistry》( IF 4.7 )。

本研究成功合成了一種名為LIFM-290的多重互穿Cu-MOF。該材料由Cu?槳輪單元和三羧酸配體MTB通過溶劑熱反應構建而成，晶體結構屬于正交晶系，空間群為Cccm。結構中存在兩種不同類型的Cu?單元，分別與四個MTB配體或兩個MTB配體及兩個甲酸根配位，形成二維配位聚合物層。這些層以平行-平行方式穿插，構成二維+二維/三維傾斜多重互穿結構，具有一維通道和約9.0 ?的孔徑，通道內分布著開放的銅金屬位點（OMSs）。拓撲分析表明該結構具有bex網絡，點符號為{4.62}?{42.62.82}（圖1）。

LIFM-290表現出良好的熱穩定性，可在225°C以下保持結構完整，并在pH 3–6的酸堿環境中具有一定耐受性。氮氣吸附測試顯示其具有典型的I型等溫線，BET比表面積為752.9 m2 g?1，總孔體積為0.32 cm3 g?1，孔徑分布主要集中在0.62 nm和0.86 nm（圖2a,b）。氣體吸附實驗表明，在298 K和1 bar條件下，LIFM-290對C?H?的吸附容量為63.1 cm3 g?1，而對CO?的吸附容量僅為31.0 cm3 g?1（圖2c）。初始吸附熱計算進一步證實其對C?H?的親和力更強（Q_st,C?H? = 31.2 kJ mol?1，Q_st,CO? = 18.8 kJ mol?1）（圖2d）。基于IAST理論計算的C?H?/CO?選擇性為6.5，優于多種已報道的MOF材料（圖2e,f）。

動態穿透實驗驗證了LIFM-290在實際分離中的效能。在等摩爾C?H?/CO?混合氣通過固定床時，CO?先于16 min g?1突破，而C?H?則在30 min g?1后才被檢測到，分離效率達59.6%，且經過五次循環后性能仍保持穩定（圖3）。理論模擬（GCMC和DFT）揭示了C?H?分子主要通過Cu–C≡C和O–H相互作用與Cu?-B槳輪位點結合，其最短作用距離為2.36 ?，而CO?與金屬位點的作用較弱（最短距離為2.59 ?），這進一步解釋了材料對C?H?的選擇性吸附機制（圖4）。

LIFM-290作為一種具有開放金屬位點的多重互穿MOF，在C?H?/CO?分離中表現出優異的吸附容量、選擇性和循環穩定性。其結構中的Cu?槳輪單元作為關鍵的C?H?吸附位點，通過特異性相互作用實現了對乙炔的高效捕獲。該研究不僅提供了一種具有實際應用潛力的分離材料，也為今后設計具有可調控金屬位點和孔結構的MOF材料提供了重要參考，推動其在能源氣體純化和化工分離領域的進一步發展。

A Multiply Interpenetrated Cu-Based Metal–Organic Framework for C2H2/CO2 Separation.Inorg. Chem. 2025. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inorgchem.5c04307

（來源：Funchem版權屬原作者 謹致謝意）