浙江大学研发新型阴离子功能化多孔材料ZU-609

分子筛材料ZU-609的局部筛分通道结构图、丙烯扩散系数、丙烯-丙烷分离能耗（来自变压吸附模拟计算）。浙江大学供图

据悉，相关论文于北京时间2023年12月15日以“First Release”的形式在线发表在国际顶级期刊《Science》上。

丙烯是世界上产量最大的化学品之一，也是重要的基础化工原料。 然而，在工业生产中，由于丙烯和丙烷仅相差两个氢原子，而且尺寸非常相似，因此很难简单地将它们分离。 《自然》杂志曾指出，开发高效节能的烯烃/烷烃分离技术被誉为可以改变世界的七大化学分离工艺之一。

基于此，浙江大学化学工程与生物工程学院、杭州国际科技创新中心的邢华斌教授、杨立峰研究员团队开始了技术攻关。

分子筛分是实现高度选择性识别相似尺寸物质的关键机制。 基本原理是只允许小于吸附剂孔道的分子进入孔道，较大的分子则被阻挡。

理论很完美，但现实却很残酷。 由于孔径狭窄限制了内部分子的扩散，分子筛材料长期以来面临扩散传质差、吸附能力低、解吸困难等问题，严重影响分离效率。

“为了提高烯烃的通过率，工业上常采用高温来‘驱动’气体‘跑’得更快。” 邢华斌表示，但这种方法降低了吸附剂的工作能力，增加了分离过程的能耗，不利于产业发展。 大众推广。

如何在有限的空间内实现物质的快速传递，即化学工程中的“有限扩散传质”问题，一直是前沿研究领域。 邢华斌表示，实验室里小瓶子、小罐子里的烯烃/烷烃的精确分离，放在几百、几千立方米的工厂里，不一定行得通。 因此，使分离过程“更快”是一种改进。 化学工艺效率的关键技术挑战，对工业应用具有重要影响。

于是，浙江大学研究人员进行精准调整，研发出一种快速、高效、低碳的分子筛材料ZU-609。 通过对孔隙的精确控制，这种新型分子筛材料只允许丙烯分子进入，而阻止丙烷分子通过，实现快速、准确的识别。

为了让分离过程更快，浙江大学的研究人员采用了“两端小、中间大”的筛选通道。 通道出入口设有“隔离墩”，阻挡丙烷分子。 丙烯进入后，可在“宽阔的中”孔中快速穿过，扩散系数较以往分子筛材料提高1-2个数量级。

“我们开发的新型分子筛不仅能快速拉动穿过它的丙烯分子，还能快速放开，这为高效、低碳分离丙烯奠定了基础。” 杨立峰说道。

变压吸附计算结果表明，ZU-609丙烯分离能耗较之前报道的筛分材料降低2倍，丙烯生产效率提高2倍。 “我们的研究为化学工程的核心问题微孔扩散传质强化提供了新思路，为低碳分离技术的发展奠定了基础。” 邢华斌表示，这也有利于超高纯电子化学品的国产化制备。

据悉，浙江大学化学工程与生物工程学院2019级博士生崔继宇为该论文的第一作者，邢华斌、杨立峰为该论文的通讯作者。 该研究得到国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的资助。 （超过）