Orthogonal-array dynamic molecular sieving of propylene/propane mixtures

丙烷 解吸 吸附 材料科学 化学工程 化学 分子 工作(物理) 金属有机骨架 纳米技术 热力学 有机化学 物理 工程类
作者
Heng Zeng,Mo Xie,Ting Wang,Rong‐Jia Wei,Xiao‐Jing Xie,Yifang Zhao,Weigang Lu,Dan Li
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:595 (7868): 542-548 被引量:486
标识
DOI:10.1038/s41586-021-03627-8
摘要

Rigid molecular sieving materials work well for small molecules with the complete exclusion of large ones1-3, and molecules with matching physiochemical properties may be separated using dynamic molecular sieving materials4-6. Metal-organic frameworks (MOFs)7-9 are known for their precise control of structures and functions on a molecular level10-15. However, the rational design of local flexibility in the MOF framework for dynamic molecular sieving remains difficult and challenging. Here we report a MOF material (JNU-3a) featuring one-dimension channels with embedded molecular pockets opening to propylene (C3H6) and propane (C3H8) at substantially different pressures. The dynamic nature of the pockets is revealed by single-crystal-to-single-crystal transformation upon exposure of JNU-3a to an atmosphere of C3H6 or C3H8. Breakthrough experiments demonstrate that JNU-3a can realize high-purity C3H6 (≥99.5%) in a single adsorption-desorption cycle from an equimolar C3H6/C3H8 mixture over a broad range of flow rates, with a maximum C3H6 productivity of 53.5 litres per kilogram. The underlying separation mechanism-orthogonal-array dynamic molecular sieving-enables both large separation capacity and fast adsorption-desorption kinetics. This work presents a next-generation sieving material design that has potential for applications in adsorptive separation.
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