在国家自然科学基金项目（批准号：21731002、21975104）等资助下，暨南大学李丹教授和陆伟刚教授团队共同提出了一种新的正交阵列动态筛分机制，成功地解决了传统分子筛吸附动力学缓慢和吸附量低的关键问题。基于新筛分机制合成制备的金属-有机框架材料（命名为JNU-3），它能够快速分离丙烯/丙烷（1/1）混合物，实现了丙烯/丙烷分离领域的突破性进展。该研究成果以“正交阵列动态筛分丙烯/丙烷（Orthogonal-array dynamic molecular sieving of propylene/propane mixtures）”为题，于2021年7月21日在线发表于《自然》（Nature）期刊。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03627-8。
丙烯是全球产量最高的基础有机化工原料之一，年产量超过1亿吨。丙烷裂解生产丙烯是近年来工业界新兴的技术路线之一。然而，为了去除残留的丙烷得到高纯度的丙烯，工业上往往需要以高昂的设备投资和巨大的能量消耗作为代价。基于传统筛分机制的分子筛分离技术，已被广泛应用于石油化工、煤化工、空气分离与净化、环境治理等多个应用领域。然而，分子筛吸附剂的研究始终存在许多挑战，尤其表现在精确的孔径设计，吸附动力学缓慢和吸附量低等方面。
暨南大学研究团队首次提出了一种正交阵列动态筛分新机制，成功合成并制备出一种基于该新筛分机制的金属-有机框架材料（命名为JNU-3）(见图1)。JNU-3材料呈现三维网格结构，沿着晶体学a轴是4.5Å × 5.3 Å的一维通道。一维通道两侧具有排列整齐的分子口袋，且分子口袋和一维通道之间以一个约3.7 Å的动态“葫芦形”窗口进行相连。混合物丙烯和丙烷可以在一维通道中快速扩散，而分子口袋则通过“葫芦形”窗口选择性地捕获丙烯分子，从而获得最佳的丙烯/丙烷分离效果，即每公斤JNU-3可得到53.5升聚合级纯（99.5 %）的丙烯。研究人员通过原位单晶衍射和分子模拟，进一步解析了丙烯/丙烷分子与JNU-3材料之间的分子相互作用诱导的新筛分机制和动态过程。
该研究成果不仅为丙烯/丙烷及其它重要气体分子的高效分离提供绿色解决方案，而且也为设计下一代新型分子筛提供了新思路。
图1 串联和正交阵列筛分机制示意图（左：刚性，右：动态）