Bottom-Up Synthesis of 8-Connected Three-Dimensional Covalent Organic Frameworks for Highly Efficient Ethylene/Ethane Separation

乙烯 化学 吸附 共价键 选择性 选择性吸附 化学工程 乙二醇 气体分离 共价有机骨架 有机化学 催化作用 生物化学 工程类
作者
Fazheng Jin,En Lin,Tonghai Wang,Shubo Geng,Ting Wang,Wansheng Liu,Fanhao Xiong,Zhifang Wang,Yao Chen,Peng Cheng,Zhenjie Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (12): 5643-5652 被引量:257
标识
DOI:10.1021/jacs.2c01058
摘要

Developing cost-/energy-efficient separation techniques for purifying ethylene from an ethylene/ethane mixture is highly important but very challenging in the industrial process. Herein, using a bottom-up [8 + 2] construction approach, we rationally designed and synthesized three three-dimensional covalent organic frameworks (COFs) with 8-connected bcu networks, which can selectively remove ethane from an ethylene/ethane mixture with high efficiency. These COF materials, which are fabricated by the condensation reaction of a customer-designed octatopic aldehyde monomer with linear diamino linkers, possess high crystallinity, good structural robustness, and high porosity. Attributed to the well-organized micro-sized pores with a nonpolar/inert pore environment, these COFs display high ethane adsorption capacity and good selectivity over ethylene, making them among the best ethane-selective adsorbents for ethylene purification. Their excellent ethylene/ethane separation performance is validated by dynamic breakthrough experiments with high-purity ethylene (>99.99%) produced through a single adsorption process. The separation performance surpasses all reported C2H6-selective COFs and even some benchmark metal-organic frameworks. This work provides important guidance for the design of new adsorbents for value-added gas purification.
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