近日，西北工业大学陈凯杰教授课题组在《Advanced Functional Materials》期刊发表题为《High-Throughput Computational Screening-Driven Porous Material Discovery for Benchmark Propylene/Propane Separation》的研究论文。该研究建立了一种用于探索具有优良性能的C3H6/C3H8分离吸附剂的通用范例。
图1. 不同MOF数据库中计算机辅助筛选最佳C3H6选择性MOF的工作流程示意图。
图2. MOF对组成为(C3H6/C3H8, 体积比) 50:50 的气体分离的高通量筛选(HTCS)结果; 选择性与吸附量 (a)、最大空腔直径(LCD) (b)、可及表面积(ASA) (c)、孔体积 (d) 和孔隙率(e)；粉色数据来自 CoRE MOF 2019 数据库；蓝色数据为来自 Tobacco 3.0 数据库
首先，采用高通量计算筛选方法(HTCS)，结合 C3H6 的几何结构和吸附分离性能，以高选择性为主要参数，多孔材料的孔道结构信息为次要参数，从CoRE MOF 2019 和Tobacco 3.0数据库中筛选出了一种具有分离 C3H6/C3H8 混合气体潜力的微孔MOF材料Cd-HFDPA。Cd-HFDPA-H2O包含两种一维通道，静电势(ESP)计算结果表明，通道A显示出均匀分布的静电势，而通道B的静电势场中正负电势区交替排列。根据静电势匹配效应，通道B中的静电势排布有可能产生C3H6 的强结合作用位点(Sweet pocket)。
图3. H4HFDPA 配体的化学结构以及 Cd-HFDPA-H2O 的结构单元 (a)；Cd-HFDPA 孔隙结构的俯视图 (b) 和侧视图 (e)；Cd-HFDPA 的静电势俯视图 (c) 和侧视图 (f) ，插图突出了与 C3H6 结合的“有利口袋” ; C3H6 和 C3H8 的静电势等值面图 (d) ; Cd,浅黄色; C,灰色; O,红色; H,白色; F,浅蓝色
图4. C3H6和 C3H8 的吸附等温线 (a)、吸附焓 (b) 以及 Cd-HFDPA 的理想吸附溶液理论(IAST)选择性 (c)；在 298 K 和 100 kPa 下，所选材料对 50:50 的 C3H6/C3H8 的 IAST 选择性 (d)
随后，通过实验进一步验证了模拟结果的可靠性。100Kpa以下 Cd-HPDPA 的单组分气体吸附等温线图表明 Cd-HFDPA 对 C3H6 和 C3H8 的吸附行为具有明显差异，298 K 时，Cd-HFDPA 从 0.4 Pa 的极低压力区域开始吸附 C3H6，在 17.9 Pa 时达到 16.2 cm³ g-1，而对 C3H8 则是正常的Langmuir吸附行为，表明 C3H6 与 Cd-HFDPA 之间有很强的结合作用。随后的理想吸附溶液理论(IAST)选择性、吸附焓分析以及GCMC理论计算都进一步证实了这一点。上述实验结论与HTCS筛选结果、ESP分析结果相一致。动态穿透实验测试证实了Cd-HFDPA优异的实际分离性能。
图5. C3H8 (a)和 C3H6 (b) 在 Cd-HFDPA 的通道B中的(GCMC)模拟结果，放大图显示了气体分子与孔表面的相互作用细节; Cd,浅黄色; C,灰色; O, 红色; H,白色
图6. Cd-HFDPA在10:90 (a)和50:50 (b) C3H6/C3H8 混合气体中的穿透曲线; Cd-HFDPA对 C3H6 和 C3H8 的动力学吸附曲线 (c) ; 所选材料的动态选择性 (d)
图7. 变压吸附工艺设计; 双床变压吸附模型 (a) 以及 C3H6 生产效率的模拟结果 (b)变压吸附工艺的能耗对比 (c)
最后，为了进一步模拟实际工况，本研究基于双塔变压吸附模型对比了 Cd-HFDPA 及其他典型吸附剂的C3H6产率和能耗，Cd-HFDPA在相同工况下具有较高的产率和较低的能耗，证明了其在工业气体分离领域的应用潜力。
综上，本研究提出了一种高性能吸附剂的筛选方法，即“HTCS材料筛选—GCMC性能预测—实验性能研究—工业变压吸附工艺设计”；通过将理论模拟与实验验证相结合的研究手段，解决了多尺度模拟过程中数据传递失真、模拟结果不可靠的弊端，能够为今后的研究提供借鉴。此外，研究中筛选出的目标材料C3H6/C3H8分离性能优异，具有很大的应用潜力。
学院副研究员张涛、硕士研究生生吕晋洁、博士研究生生党宇为本文共同第一作者，陈凯杰教授、西安交通大学能源与动力工程学院汪辉副教授为论文通讯作者，西北工业大学和西安交通大学为论文通讯单位。该研究工作得到了国家自然科学基金和中国博士后科学基金等项目的支持。
原文链接
https://doi.org/10.1002/adfm.202412457
来源：西北工业大学
