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Adaptive Pore Opening to Form Tailored Adsorption Sites in a Cooperatively Flexible Framework Enables Record Inverse Propane/Propylene Separation

丙烷 化学 金属有机骨架 吸附 烯烃 选择性 烷烃 化学工程 气体分离 有机化学 碳氢化合物 催化作用 生物化学 工程类
作者
Ryan A. Klein,Lukas W. Bingel,Arijit Halder,Marcus Carter,Benjamin A. Trump,Eric D. Bloch,Wei Zhou,Krista S. Walton,Craig M. Brown,C. Michael McGuirk
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (40): 21955-21965 被引量:45
标识
DOI:10.1021/jacs.3c06754
摘要

A proposed low-energy alternative to the separation of alkanes from alkenes by energy-intensive cryogenic distillation is separation by porous adsorbents. Unfortunately, most adsorbents preferentially take up the desired, high-value major component alkene, requiring frequent regeneration. Adsorbents with inverse selectivity for the minor component alkane would enable the direct production of purified, reagent-grade alkene, greatly reducing global energy consumption. However, such materials are exceedingly rare, especially for propane/propylene separation. Here, we report that through adaptive and spontaneous pore size and shape adaptation to optimize an ensemble of weak noncovalent interactions, the structurally responsive metal–organic framework CdIF-13 (sod–Cd(benzimidazolate)2) exhibits inverse selectivity for propane over propylene with record-setting separation performance under industrially relevant temperature, pressure, and mixture conditions. Powder synchrotron X-ray diffraction measurements combined with first-principles calculations yield atomic-scale insight and reveal the induced fit mechanism of adsorbate-specific pore adaptation and ensemble interactions between ligands and adsorbates. Dynamic column breakthrough measurements confirm that CdIF-13 displays selectivity under mixed-component conditions of varying ratios, with a record measured selectivity factor of α ≈ 3 at 95:5 propylene:propane at 298 K and 1 bar. When sequenced with a low-cost rigid adsorbent, we demonstrated the direct purification of propylene under ambient conditions. This combined atomic-level structural characterization and performance testing firmly establishes how cooperatively flexible materials can be capable of unprecedented separation factors.
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