陳凱傑教授團隊在做實驗。（資料圖片）

乙烯的高純制備在初級化工原料生産中有着舉足輕重的作用，傳統的乙烯分離方法步驟繁多、成本較高且能耗高。如何用更加節能高效的方式，實現乙烯的分離和純化呢？

“想要實現乙烯的一步分離制備，就要使特定的‘多孔MOF材料’選擇性地同時捕獲其他三種氣體，隻有乙烯不被吸附，從而單獨分離出來。這樣的道理非常簡單，實踐起來卻絕非易事。”陳凱傑教授說。

提到“多孔材料”，我們會聯想到生活中常見的海綿。不過陳凱傑團隊所使用的“多孔材料”是金屬有機框架材料，即由金屬離子和有機小分子通過配位鍵連接形成的原子三維有序排布的多孔晶體材料。該類材料中孔道大小通常小于2 納米。事實上，乙烯的分子尺寸在四種氣體中并不是最大或最小，從分子尺寸角度想到的“分子篩”辦法行不通。從分子作用力的角度思考，如果乙烯分子的四極矩在四種氣體中最大或最小，就傾向于和多孔材料之間形成最強或最弱的吸附力，也是一個分離乙烯的思路，但乙烯的分子四極矩恰恰也處于中間。

“正因為乙烯分子四極矩和尺寸都居中的特性，以往的研究大多都聚焦在兩種氣體中分離乙烯，極少數研究實現了三種氣體中的乙烯提純。因為每增加一種氣體，想要一步分離制備乙烯的難度就大得多。”談到當初研究的設想時，陳凱傑教授說：“如果使用一種材料無法一步将乙烯從四種氣體中過濾出來，那麼能否使用對特定氣體有最強吸附力的三種材料，分别來捕獲掉乙炔、乙烷、二氧化碳？隻要乙烯在這三種材料中都不被吸附，那麼乙烯就會最先從吸附柱末端流出富集。”

這個“腦洞大開”的想法最終成為了現實。陳凱傑團隊通過長時間的探索與驗證，終于選定了三種具有特異性孔道結構的MOF材料。每種材料都能優先吸附自己“喜歡”的一種氣體。這樣再把這三種吸附材料以串聯的形式裝填進單一吸附柱中，并最終實現了乙烯的一步分離純化。這種串聯式的吸附柱裝填方式，相較于串聯排布三個吸附柱，能夠有望在未來的工業應用中大大降低分離裝置的尺寸和樣品活化程序。

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這位在國際頂級學術期刊上發表論文的西工大青年教師陳凱傑，是一名1986年出生的年輕教授。“我的科研和成長的道路永遠不是一片坦途，不是天才頂着光環的故事。”陳凱傑教授提及，作為一名化學研究者，他曾經曆過許多次失敗，不過其中一次“幸福”的失敗卻讓他記憶猶新。在愛爾蘭利莫瑞克大學讀博士後期間，滿懷希望地期待自己合成的一個MOF材料能夠實現乙炔和乙烯分子的完全篩分。可結果出來發現兩種氣體都輕松地被材料所吸附。當時看到這樣的數據，失望油然而生。在仔細查看數據後，他驚喜地發現，相比于常規多孔材料，這個材料對乙炔的吸附作用力要明顯強一些。

他很好奇是什麼原因導緻了這樣的現象？順着這樣的思路，他對體系進行了大量的優化和深入挖掘，并最終将此研究成果順利發表。“保持好奇，注重細節，貴在堅持，當你在一個領域深耕多年卻看不到前路的時候，可能成功已經在下一個路口等你。”陳凱傑教授深有感觸。

談到未來的規劃，陳凱傑教授希望将這項研究拓展到能源化工領域内其他多種能源化工原料單體的分離純化工藝中。同時，也要努力實現材料的低成本化，模拟更加複雜的工業分離體系，讓成果有機會從實驗室走出來，更好地服務于現實生活。“也希望能進一步探索更多能源領域中的化工難題和瓶頸問題，積極服務國家重大戰略需求。”陳凱傑教授表示說。

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（西安報業全媒體記者 姜泓）

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