Microporous MOF for simultaneous high thermodynamic and kinetic synergistic separation of propylene and propane

丙烷 微型多孔材料 动能 化学工程 材料科学 化学 金属有机骨架 动力学 热力学 动力控制 吸附 无机化学 催化作用 物理化学 碳氢化合物
作者
Xue Wang,Lingxiang Bao,Jing‐Hong Li,Tao Zhao,Libo Li,Shuki Torii,Hongwei Chen,Takashi Kamiyama,Pingping Miao,Rui‐Biao Lin,Banglin Chen,Junkuo Gao
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1): 4349- 被引量:18
标识
DOI:10.1038/s41467-026-71104-9
摘要

Efficient separation of propylene from propane is a critical yet challenging industrial process. While rigid molecular sieves offer ideal selectivity, their narrow nanopores inherently constrain adsorption capacity and diffusion kinetics due to compromised thermodynamic-kinetic trade-offs. To address this, we report ZSTU-10, a molecular sieve constructed via structure-directing agents. Uniquely, ZSTU-10 features localized sieving gates for selective guest admission, expansive diffusion channels for rapid transport, and central pore cavities for high-capacity storage. This gate-channel-cavity architecture enables the precise exclusion of propane while facilitating the dense packing and fast diffusion of propylene, achieving simultaneous thermodynamic-kinetics optimization in molecular sieving. Static adsorption experiments demonstrate an exceptional propylene uptake (97.7 cm3 cm-3) at 298 K and 1 bar. Time-dependent uptake kinetics revealed a propylene diffusion coefficient (4.29 × 10-9 cm2 s-1) in ZSTU-10 surpassing benchmarks by two orders of magnitude. Dynamic breakthrough experiments demonstrate that ZSTU-10 produces high-purity propylene (99.1%) with a productivity of 37.5 L kg−1 in a single adsorption-desorption cycle. Researchers report a metal-organic framework with “gate-channel-cavity” for the energy-efficient separation of propylene. By combining sieving gates with a large diffusion channel, the material achieves record-fast diffusion and high capacity for industrial use.
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