近日，福建师范大学张章静教授课题组报道了一种微孔氢键有机框架（HOF）材料。研究表明该材料具有合适的孔尺寸与互补的静电式分布，能够显著地增强对乙炔分子的作用力，进而提高对混合气体中特定气体的选择性。相关成果“An Ultramicroporous Hydrogen-Bonded Organic Framework Exhibiting High C₂H₂/CO₂ Separation”近日在线发表于《德国应用化学》期刊上（Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202207579）。

乙炔（C₂H₂）被广泛地应用于燃料和有机化工基础原料。乙炔的生产过程中通常伴随着少量的二氧化碳（CO₂）等杂质，因此在实际的应用前需要对乙炔混合气进行纯化。由于C₂H₂和CO₂具有相同的动力学直径与相近的沸点，它们的分离极具挑战性。相比于传统的分离方法溶剂萃取、低温精馏等，利用多孔材料实现小分子气体高效吸附分离具有成本低、能耗小、节能环保等特点。但在C₂H₂/CO₂分离工作中，要实现超高分离选择性、兼具高稳定性和易合成的吸附剂材料用于实际的生产需要，仍是该领域尚未解决的问题。

图1. HOF-FJU-1负载乙炔结构图及其吸附性能

在这项研究中，该团队选择了具有易合成、可回收、且具有良好稳定性的氢键有机框架材料HOF-FJU-1作为主要研究对象。HOF-FJU-1由四氰基联咔唑经C-N…H-C二重氢键连接而成。实验发现，随着温度上升，HOF-FJU-1对乙炔的吸附量几乎没有发生变化，但是二氧化碳分子的吸附量逐渐降低。这与大部分的吸附剂材料随着温度的上升对气体的吸附量而逐渐降低的情况不同。这一反常现象增加了HOF-FJU-1对C₂H₂/CO₂的分离选择性，达到当时报道的最高值。为了研究乙炔的吸附机理，该团队利用单晶技术确定了HOF-FJU-1负载乙炔分子的结构，发现HOF-FJU-1具有与乙炔分子匹配的孔环境，并与乙炔分子形成互补的静电式，咔唑分子上的C-H与乙炔分子形成的多重C-H…π（乙炔）相互作用、氰基氮原子与乙炔分子端位氢形成氢键作用。但是孔道对二氧化碳分子并未形成这种协同效应。

（摘自X-MOL）