Adenine-based metal–organic framework with 1 D narrow channel for molecular-sieving separation of n-butane and isobutane

异丁烷 丁烷 吸附 化学 金属有机骨架 密度泛函理论 多孔性 扩散 分子 物理化学 化学工程 热力学 有机化学 计算化学 催化作用 物理 工程类
作者
Zefeng Jiang,Lu Wang,Wenjuan Xue,Mingze Zheng,Xiangyu Guo,Hongliang Huang,Chongli Zhong
出处
期刊:Separation and Purification Technology [Elsevier BV]
卷期号:328: 125025-125025 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.seppur.2023.125025
摘要

Molecular-sieving separation of isomeric C4 paraffins, n-butane (n-C4H10) and isobutane (iso-C4H10), is highly desired but challenging because of their very close molecular sizes and physical properties. However, most of the MOF adsorbents often undergo framework flexibility or ligand rotation or swing, leading to the variation of pore size and the loss of the molecular-sieving effect. In this work, an adenine-based MOF with a suitable window size and rigid narrow 1D channel, namely IPM-101, was selected for n-C4H10/iso-C4H10 separation. Adsorption experiments demonstrate that IPM-101 can sensitively adsorb n-C4H10 in the low-pressure region (0–0.05 bar) and reach a saturation state at 0.1 bar while iso-C4H10 is excluded by the size-exclusion effect. Owing to the high porosity, IPM-101 exhibits a high n-C4H10 adsorption capacity (51.6 cm3 g−1) at 1 bar and 298 K. Density functional theory (DFT) calculations clearly reveal the molecular-sieving mechanism that n-C4H10 molecule can diffuse into the pore channel of IPM-101 easily but the diffusion of iso-C4H10 in IPM-101 is kinetically forbidden for its high diffusion energy barrier. The breakthrough experiments show that n-C4H10 and iso-C4H10 can be efficiently separated and iso-C4H10 with a purity of up to 99.9 % can be directly collected. The regeneration experiments show that IPM-101 has good cycling stability for n-C4H10 adsorption and n-C4H10/iso-C4H10 separation. Therefore, the high separation efficiency, excellent regeneration ability, and low cost indicate that IPM-101 has great application potential for practical n-C4H10/ iso-C4H10 separation in industry.
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