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Nature Communications volume 13、記事番号: 2955 (2022) この記事を引用

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製油所は通常、複雑な化学混合物を分離および精製するために、複数のエネルギー集約型蒸留/吸着塔を使用します。 分子をその形状と化学的特性に従って同時に分離できるさまざまなモジュールを統合した多機能分子分離器などの材料が代替手段となる可能性があります。 ここでは、多機能で応答性の高い材料 ZU-33 を使用し、ゲスト/温度の二重応答制御戦略により、分解ガス (最大 10 成分) からアルキンとプロパジエンを 1 ステップで除去するという文脈で、この課題に取り組みます。 ZU-33 の応答性とゲスト適応性の特性は、アルキンとプロパジエンに最適化された結合エネルギーを提供し、オレフィンとパラフィンの競合吸着を回避します。これは、ブレークスルー テスト、単結晶 X 線回折実験、およびシミュレーション研究によって検証されています。 。 さまざまな刺激に対する応答特性により、材料に複数の制御方法が与えられ、困難な分離に対する多孔質材料の適用範囲が広がります。

合成ゼオライト 1、2、3、有機金属フレームワーク (MOF) 4、5、6、およびその他のカスタム設計の多孔質材料 7、8、9、10、11 の発見により、化学混合物の吸着分離の成功への扉が開かれます。沸点ではなく分子構造に依存します12、13、14、15、16、17。 多孔質材料の細孔化学を調整する能力の最近の進歩により、分子サイズ/形状 18、19、20、物理化学的特性 21、22、23、24、25、または分子間の拡散 26、27、28 の違いに応じて、分離範囲が広がりました。コンポーネント。 しかし、工業的な分離プロセスには通常、分子サイズと特性がほぼ均等に重なった複雑な多成分混合物が含まれており、多孔質材料の細孔化学の正確な制御と管理に大きな課題をもたらしています。 たとえば、オレフィン (エチレン、プロピレン、1,3-ブタジエン) は、水素 (H2)、メタン (CH4)、エタン (C2H6)、エチレン (C2H4) を含む水蒸気熱分解または分解の生成物から分離および精製することによって製造されます。 、アセチレン (C2H2)、プロピレン (C3H6)、プロピン (C3H4)、プロパジエン (C3H4 (PD))、1,3-ブタジエン (C4H6)、n-ブテン (n-C4H8)、イソブテン (i-C4H8)など29、30。 ポリマーグレードのオレフィンを得るには、アルキン (アセチレンとプロピン) およびプロパジエンの不純物を分解ガスから除去する必要があります。 現在、多段階蒸留と接触水素化ユニット（補足図1）の複雑なプロセスが採用されており、大きなエネルギーフットプリントを引き起こしています31、32。 エネルギー効率の高い吸着方法を実現するために、これまでの吸着剤のほとんどは、シミュレートされた 2 成分 (C2H2/C2H433,34,35、C3H4/C3H636,37,38) または 3 成分混合物 (C3H4/C3H4 ( PD)/C3H6)39,40。 これらの吸着剤はすべて、複雑な炭化水素混合物 (10 成分以上) からアルキンとプロパジエンを 1 段階で除去するという困難な課題に対処できませんでした。 複雑な混合物から目的成分を 1 段階で精製することは、エネルギー消費を削減し、分離プロセスを簡素化する最も望ましい方法です。 最近、それぞれが不純物の 1 つに対して選択性を持つ一連の吸着剤を使用して、第四級 (CO2/C2H2/C2H6/C2H4) ガス混合物からポリマーグレードの C2H4 をワンステップで生成することが研究されています41。 したがって、複雑な化学混合物に対処するための新しい分離戦略と新しい機能性材料の開発が急務となっています。

有望な戦略は、サイズ/形状および物理的特性に従って分子を同時に分離できる複数のモジュールを統合した、一種の多機能分子分離器を設計することです。 分解ガスからアルキンとプロパジエンを除去する際の主な障壁は次のとおりです。(i) ターゲットのプロピンとプロパジエンの分子サイズが中間であるため、分子ふるいは決して適応できません。 （ii）同様の不飽和結合構造、たとえばプロパジエンと1,3-ブタジエンは同様のπ-π共役効果を示し、結合親和性の違いを介して分離を達成するのは非常に困難です（図1a）。 (iii) 1 つの多孔質材料を使用して、構造と特性が異なる 3 つすべての不純物 (アセチレン、プロピン、プロパジエン) を同時に深く除去します。