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21
2026
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09
JACS: 腔体–窗口协同孔道破解丙烯/丙烷分离三重矛盾
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背景
丙烯是聚丙烯等高附加值化学品的重要基础原料，但工业生产过程中通常伴随性质高度相近的丙烷，需要进一步纯化至聚合级纯度。传统低温精馏能耗和碳排放较高，因此利用多孔材料进行吸附分离被认为是重要的低能耗替代方案。其中，分子筛分能够直接阻止尺寸稍大的丙烷进入孔道，是获得高纯丙烯直接的机制，但C₃H₆与C₃H₈动力学尺寸差异极小，使材料必须具有精准的孔口。问题在于，过窄的孔口虽然能够提高选择性，却往往同时造成丙烯扩散缓慢；如果内部孔腔过小或扩散路径曲折，又会进一步牺牲吸附容量和传质效率。因此，传统筛分材料实际上面临“吸附容量–筛分精度–扩散动力学”三者之间的结构矛盾：既要有足够大的空间“装得多”，又要有足够窄的窗口“筛得准”，还必须让被选择的分子“跑得快”。
创新
近日，太原理工大学李晋平、李立博教授团队发现，磷酸铝分子筛AlPO-ERI天然形成了一种适合解决这一矛盾的“大腔体–小窗口–多通路”孔道拓扑。较大的eri笼提供充足内部空间，从而保证较高的C₃H₆吸附容量；连接相邻笼体的椭圆形8元环窗口则充当精准的分子筛分关口，C₃H₆能够以与窗口截面相匹配的直立构型通过，而尺寸稍大的C₃H₈受到空间位阻而被排除。更关键的是，每个笼体并非只有单一出口，而是由多个适合C₃H₆通过的窗口相互连接，相当于在笼体之间建立了多条并联扩散路径，避免精准筛分窗口成为严重的传质瓶颈。同时，电中性的AlPO骨架降低了C₃H₆与孔壁之间过强的相互作用，为分子在笼内迁移提供更加平滑、低阻力的能量环境。由此形成“大笼提高容量→8元环窗口精准识别→多窗口并联加速跨笼扩散→弱相互作用降低笼内迁移阻力”的吸附–筛分–扩散协同机制。气体负载单晶X射线衍射进一步在原子尺度直接揭示了C₃H₆的吸附位置和分子取向。突破实验中，AlPO-ERI实现53.7 cm³ g⁻¹的C₃H₆动态吸附容量，并在常温下获得纯度超过99.9%的C₃H₆，产率达到43.9 L kg⁻¹。
意义
这项工作的价值在于，它将丙烯/丙烷分子筛分从单纯追求“更精准的孔径”推进到了“孔腔–窗口–连通性协同设计”。对于高难度分子筛分，决定性能的不只是*窄孔口有多大，而是整个传输网络如何分工：腔体决定能够容纳多少目标分子，窗口决定谁能够进入和通过，而窗口数量及其连接方式决定目标分子能够以多快的速度穿过材料。AlPO-ERI正是通过这种空间功能分工，将原本相互制约的吸附容量、分子选择性和扩散动力学整合在同一孔道网络中。同时，电中性骨架避免了对烯烃的过强吸附，有利于室温脱附、再生和循环使用。相比依赖复杂配体和昂贵组分的部分MOF筛分材料，AlPO-ERI还具有原料成本低、稳定性好和可规模化合成等优势。因此，这项工作提供的更普适启示是：对于尺寸高度接近的分子，先进分子筛材料不应只是设计一个“刚好卡住大分子的门”，而应进一步设计“门后面的房间有多大、门有多少、这些门如何彼此连接”，从单一孔径优化走向整体孔道拓扑与传输路径设计。
原文：https://mp.weixin.qq.com/s/TS-hXGgDM5WujRDbwF10PA
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