2016年在《自然》刊出的題為“改變世界的七種化學分離”一文曾指出，全球在製備高純度丙烯和乙烯過程中，一年的能源消耗量相當於新加坡全年的能源消耗量，可達486太瓦時（合4860億度電）。丙烯和丙烷的分離被認為是化工領域最重要的分離過程之一。

7月4日，浙江理工大學材料科學與工程學院特聘教授高俊闊在化學頂級期刊《應用化學-國際版》上發表了一項研究成果，透過採用一種新型氫鍵-有機框架材料（HOF），對丙烯和丙烷氣體分子進行吸附分離，可大幅降低提取丙烯/丙烷混合物的能耗，為這項困擾全球化工行業半個多世紀的難題提供一種新的選擇。

構築多孔結構 高效吸附丙烯

丙烯是石油化工的主要原料，在化工、服飾、電器、建材、汽車等各個行業均有著廣泛的應用。作為化纖大國，我國丙烯產能近年來不斷擴大。據行業統計，2020年，我國丙烯總產能增長至4407萬噸，環比上漲14。12%。

長期以來，傳統的高純度丙烯製備工藝主要是將丙烯/丙烷混合氣體透過冷卻、降溫到零下45-70度，達到丙烷的沸點從而將其液化，使得丙烯氣體分離出來。

“由於降溫過程本身能耗巨大，並且丙烷、丙烯這兩種氣體分子具有非常相似的分子尺寸和相近的沸點，所以提純的效率非常低。“高俊闊介紹，從原油裡催化得出的並非化工產業所需的高純度丙烯，而是丙烯/丙烷的混合物。透過低溫精餾技術將丙烯從丙烯/丙烷的混合物中提取出來是目前工業上最耗能的工藝之一。

近年來，採用多孔材料對目標氣體分子進行選擇性吸附從而實現氣體分離的吸附分離方法，因其能耗低、流程操作簡單等特點而備受學界、業界關注。

高俊闊介紹道，吸附分離技術的核心在於構建適合待吸附分子大小的微孔通道，或是在孔表面建立識別位點以此來篩分不同氣體分子，該技術已成功應用於空氣分離、天然氣提純等工業規模的任務中。

其中，氫鍵-有機框架材料（HOF）作為一類新興的晶態多孔材料，由有機配體分子透過氫鍵作用構築形成多孔結構，在氣體吸附和分離領域展現出廣闊的應用前景。

顯著減低能耗 助力雙碳目標

歷經六年多的研究，高俊闊團隊藉助於晶體工程和溶劑誘導自組裝的方式，製備出一種新型的孔道中裸露羧基的微孔HOF材料（簡稱為HOF-16），實現了丙烯/丙烷混合物的有效分離。

“這種新型材料的優點在於，它能在室溫條件下吸附丙烯，保留丙烷，並透過簡單的真空抽氣、吹入氮氣等方式，將吸附在材料裡的丙烯迅速釋放還原。”高俊闊解釋說。

他告訴記者，團隊成員經過實驗檢測，將丙烯/丙烷混合氣體充進封閉容器，僅吸附一次後的丙烯氣體純度即可達95%，兩三次後就可以提純到99%以上。

氣體吸附和分離結果顯示，得益於合適的孔道尺寸和功能吸附位點形成的孔道限域效應，HOF-16對丙烯/丙烷的選擇性遠優於一些典型的羧酸類氫鍵-有機框架材料。

“HOF-16的製備非常簡單。只需把低成本的原材料三苯胺三羧酸在甲醇溶劑中進行重結晶，在實驗室條件下就可以方便地獲得20克級的HOF-16。”高俊闊表示，無論是原材料還是製備過程，都無須苛刻的實驗條件和昂貴的實驗器材。更為重要的是，這項研究成果在實驗條件下可以將製備丙烯的總體能耗降至傳統工藝的60%。

“我國已明確碳達峰、碳中和目標，一場廣泛而深刻的系統性變革已在能源、材料等領域拉開大幕。透過最佳化製備工藝從而降低能耗，是實現‘雙碳’目標的有效途徑。”高俊闊表示，接下來，團隊將致力於研究氫鍵-有機框架材料的孔道尺寸和孔吸附位點的調節，進一步實現丙烯/丙烷的高效分離，推進這一新型材料的量產和工業化應用。

編輯/範輝