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丙烯是世界上產(chǎn)量最大的化工品之一，也是重要的基礎(chǔ)化工原料。在工業(yè)生產(chǎn)中，丙烯與丙烷總是在一起，而且大小非常接近，兩者分子尺寸差異僅為0.4埃，相當于百分之四個納米，因此，丙烯與丙烷的精準快速分離極具挑戰(zhàn)性。

分子篩分是實現(xiàn)尺寸相似物質(zhì)高選擇性識別的關(guān)鍵機理。其基本原理就是僅允許尺寸比吸附劑孔口小的分子進入孔道，尺寸大的分子被阻擋。

“為了提高烯烴通過速率，工業(yè)中常用高溫‘驅(qū)趕’氣體快點‘跑’。”邢華斌說，但這種方式降低了吸附劑的工作容量，增加了分離過程能耗，不利于工業(yè)大規(guī)模推廣。因此，如何在有限空間里實現(xiàn)物質(zhì)快速傳遞，即化學工程的“限域擴散傳質(zhì)”，一直是前沿研究問題。

為了讓分離過程更快，研究團隊采用“兩頭小中間大”的篩分孔道，在孔道的進口和出口分別設(shè)置“隔離墩”來阻擋丙烷分子。丙烯進入后，能快速通過“中間寬”的孔道，擴散系數(shù)相比之前的分子篩材料提高了1到2個數(shù)量級。通過ZU-609分子篩，研究人員可從等摩爾丙烯丙烷混合氣中分離得到99.97%純度丙烯。同時，分子篩材料表現(xiàn)出優(yōu)異的脫附再生能力，常溫下通過氮氣吹掃或抽真空減壓就可以實現(xiàn)材料完全再生。

“我們研制的新型分子篩，既能快速拉住通過其中的丙烯分子，也能快速‘放手’，這為高效低碳分離丙烯奠定了基礎(chǔ)。”楊立峰說，變壓吸附計算結(jié)果表明，ZU-609丙烯分離能耗是之前報道的分子篩材料的1/2，丙烯生產(chǎn)效率提高2倍。

“我們的研究為微孔擴散傳質(zhì)強化這一化學工程核心問題提供了新思路。”邢華斌介紹，這有利于超高純電子化學品的國產(chǎn)化制備。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1126/science.abn8418