Inorg. Chem.： 多重互穿Cu-MOF高效捕获C₂H₂实现低碳分离

乙炔（C₂H₂）作为一种重要的工业原料和燃料，在电子和石油化工行业中具有广泛的应用。其生产过程中常伴随着二氧化碳（CO₂）等副产物的生成，而由于乙炔和二氧化碳分子在尺寸、形状及物理性质上高度相似，传统分离方法如低温蒸馏、部分氢化和溶剂提取等存在能耗高、成本大的问题。因此，开发高效、节能的吸附分离材料成为当前研究的重点。金属有机框架（MOFs）因其可调控的孔结构、高比表面积和功能化位点，在气体吸附与分离领域展现出巨大潜力。

中山大学韦张文团队成功开发了一种新型多重互穿Cu-MOF LIFM-290，该材料凭借其独特的开放金属位点和一维通道结构，实现了对乙炔的高效选择性吸附与分离。通过系统的吸附测试、动态穿透实验和理论模拟，他们不仅验证了材料在实际工况下的优异性能，还深入揭示了其分离机制。这项研究为开发下一代节能型气体分离材料提供了重要思路，具有广阔的应用前景和科学价值。研究成果发表于国际期刊《Inorganic Chemistry》( IF 4.7 )。

本研究成功合成了一种名为LIFM-290的多重互穿Cu-MOF。该材料由Cu₂桨轮单元和三羧酸配体MTB通过溶剂热反应构建而成，晶体结构属于正交晶系，空间群为Cccm。结构中存在两种不同类型的Cu₂单元，分别与四个MTB配体或两个MTB配体及两个甲酸根配位，形成二维配位聚合物层。这些层以平行-平行方式穿插，构成二维+二维/三维倾斜多重互穿结构，具有一维通道和约9.0 Å的孔径，通道内分布着开放的铜金属位点（OMSs）。拓扑分析表明该结构具有bex网络，点符号为{4.6²}₂{4².6².8²}（图1）。

LIFM-290表现出良好的热稳定性，可在225°C以下保持结构完整，并在pH 3–6的酸碱环境中具有一定耐受性。氮气吸附测试显示其具有典型的I型等温线，BET比表面积为752.9 m² g⁻¹，总孔体积为0.32 cm³ g⁻¹，孔径分布主要集中在0.62 nm和0.86 nm（图2a,b）。气体吸附实验表明，在298 K和1 bar条件下，LIFM-290对C₂H₂的吸附容量为63.1 cm³ g⁻¹，而对CO₂的吸附容量仅为31.0 cm³ g⁻¹（图2c）。初始吸附热计算进一步证实其对C₂H₂的亲和力更强（Q_st,C₂H₂ = 31.2 kJ mol⁻¹，Q_st,CO₂ = 18.8 kJ mol⁻¹）（图2d）。基于IAST理论计算的C₂H₂/CO₂选择性为6.5，优于多种已报道的MOF材料（图2e,f）。

动态穿透实验验证了LIFM-290在实际分离中的效能。在等摩尔C₂H₂/CO₂混合气通过固定床时，CO₂先于16 min g⁻¹突破，而C₂H₂则在30 min g⁻¹后才被检测到，分离效率达59.6%，且经过五次循环后性能仍保持稳定（图3）。理论模拟（GCMC和DFT）揭示了C₂H₂分子主要通过Cu–C≡C和O–H相互作用与Cu₂-B桨轮位点结合，其最短作用距离为2.36 Å，而CO₂与金属位点的作用较弱（最短距离为2.59 Å），这进一步解释了材料对C₂H₂的选择性吸附机制（图4）。

LIFM-290作为一种具有开放金属位点的多重互穿MOF，在C₂H₂/CO₂分离中表现出优异的吸附容量、选择性和循环稳定性。其结构中的Cu₂桨轮单元作为关键的C₂H₂吸附位点，通过特异性相互作用实现了对乙炔的高效捕获。该研究不仅提供了一种具有实际应用潜力的分离材料，也为今后设计具有可调控金属位点和孔结构的MOF材料提供了重要参考，推动其在能源气体纯化和化工分离领域的进一步发展。

A Multiply Interpenetrated Cu-Based Metal–Organic Framework for C2H2/CO2 Separation.Inorg. Chem. 2025. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inorgchem.5c04307

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