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新材料可使塑料的制造更节能

来源:科技工作者之家   更新时间:2018-10-29 08:15:40    

  ▲这种铁基金属有机骨架由过氧基(红色和绿色)进行修饰,可以在捕获乙烷(蓝色分子)的同时,让乙烯(桃色分子)自由通过。这可能为乙烯的纯化提供了更高效和低成本的方法。

  《科学》(Science)杂志报道,美国国家标准与技术研究院(NIST)等开发的一种新型净化材料,或许可以显著降低塑料制造的环境成本。新材料是一种金属-有机骨架(MOF),它可以从混合物中“捕获”塑料的关键成分——乙烯,并且能耗很低。

  之前的研究已经证明,MOF可以用于分离不同辛烷值的汽油和加速复杂的化学反应。但MOF能否用于分离乙烯尚存疑问。美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校(UTSA)和中国太原理工大学(TYUT)等在NIST的中子研究中心(NCNR)的研究给出了确定的答案。

  聚乙烯是最常见的一种塑料,它是由乙烯聚合而成的高分子化合物。乙烯必须经过高度纯化才能用于生产。但将乙烯从其他碳氢化合物中分离出来的工业技术是一种条件苛刻(-100 ℃)的高能耗过程。从微观上看,MOF貌似摩天大楼的半成品。它对某些碳氢化合物分子有强烈的吸附作用。因此选择恰当的MOF对碳氢化合物的混合物进行分离,可以实现高度纯化。然而,如何找到这种“恰当”的MOF并不是一件容易的事情。NCNR的科学家周伟(音译)说:“选择性吸附很难实现。我们发现大多数MOF都倾向于捕捉乙烯。这与研究的初衷背道而驰。”

  研究小组花了数年时间来解决这个难题。2012年,NCNR的另一个研究小组发现,MOF-74的特殊框架能够很好地分离包括乙烯在内的多种碳氢化合物。随后,研究人员从生物化学中获取的灵感最终使他们朝着正确的方向前进。研究小组负责人、UTSA的陈邦林(音译)教授说:“找到打破牢固的碳-氢键的方法是化学领域的重大课题。我们发现含有过氧化铁的化合物可以破坏这种化学键。”因此,研究小组对MOF-74进行了修饰,发现它能够从混合物中吸附乙烷。接着,研究人员利用中子衍射技术分析了新MOF-74的原子结构,确定了其表面能吸附乙烷的结构特征——这是技术成功的关键。陈教授认为,吸附机理的研究很重要,它意味着可信程度。用其他基团修饰MOF-74表面也是颇具前景的研究方向。

  研究人员计划进一步提高材料的选择性,以实现其工业化应用。

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