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【Chem.Eng.J.】甲基功能化柔性超微孔MOF用于SF6/N2混合物的高效分離

貝士德 2023-09-12 | 閱讀：1653

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在半導體工業(yè)中，必須妥善處理SF6/N2混合物以保護環(huán)境。中山大學江繼軍課題組設計了三種具有密集的甲基功能化孔的MOF來捕獲SF6。其中，Zn(TMBDC)(DABCO)0.5具備最合適的孔道，其SF6吸附容量為4.61 mmol/g，在298 K和1 bar條件下SF6/N2選擇性最高，為239。理論計算表明，引入甲基提供了更多可以結(jié)合SF6的親和位點。循環(huán)穿透實驗證實了從SF6/N2混合物中直接分離SF6的能力。這種多孔配位網(wǎng)絡為構(gòu)建其他MOF來分離SF6/N2混合物和其他含氟氣體提供了一種方法。

背景介紹

六氟化硫(SF6)由于其優(yōu)異的介電和滅弧性能，已廣泛應用于電力和半導體行業(yè)。同時由于價格昂貴，純SF6不能直接用于實際生產(chǎn)，所以加入N2混合以降低SF6的價格和沸點。然而，大多數(shù)SF6在蝕刻后保持完整，必須通過燃燒分解，在此過程中，少量混合物被釋放到大氣中，同時SF6對于環(huán)境破壞性較強。因此，需要一種分離技術(shù)來處理混合氣體中殘留的SF6。目前的技術(shù)方案，如低溫蒸餾、吸附、膜分離等，由于混合廢氣中SF6含量較低，性能不理想。金屬-有機骨架(MOF)具有較高的比表面積和較大的孔隙體積，但它們在吸附能力和氣體選擇性之間表現(xiàn)出一種權(quán)衡。孔徑較大的MOF對SF6的最大吸附能力較高，但選擇性較低。因此，設計具有高SF6吸附能力和高SF6/N2選擇性的MOF仍然是一個挑戰(zhàn)。過去的研究表明，孔徑對SF6的捕獲尤為重要，因此獲得具有合適孔徑的功能豐富的MOF至關(guān)重要。

圖文要點

要點：柱狀層狀Zn(BDC)(DABCO)0.5由帶有四個BDC線性連接體的鋅連接形成二維規(guī)則方形層，再與DABCO柱狀層形成三維框架。Zn(BDC)(DABCO) 0.5給出了一個具有pcu拓撲的6坐標網(wǎng)絡。Zn(DMBDC)(DABCO) 0.5和Zn(TMBDC)(DABCO) 0.5與Zn(BDC)(DABCO) 0.5同構(gòu)。

要點：77 K下的N2吸脫附實驗，三種材料均表現(xiàn)出典型的i型吸附等溫線，表明骨架為微孔結(jié)構(gòu)。Zn(BDC)(DABCO)0.5、Zn(DMBDC)(DABCO) 0.5和Zn(TMBDC)(DABCO)0.5的BET比表面積分別為1978.1、1336.1和975.9 m2/g，對應的孔隙體積分別為0.79、0.56和0.42 cm3 g?1。BET表面積和孔隙體積的減小歸因于框架中甲基比例的增加。基于非線性密度泛函理論(NLDFT)，計算出Zn(BDC)(DABCO) 0.5的孔徑分布為7.8 ?，Zn(DMBDC)(DABCO) 0.5的孔徑分布為6.7 ?，Zn(TMBDC)(DABCO) 0.5的孔徑分布為5.4 ?。

要點：在273/298 K和1 bar條件下，測定了3種MOF對SF6和N2的吸附等溫線，評價了它們的吸附能力。當溫度從273 K升高到298 K時，三種氣體的吸附量均下降，表明MOF上發(fā)生了物理吸附。Zn(BDC)(DABCO)0.5雖然具有最高的比表面積，但由于較大的孔徑和缺乏功能位點，在100 kPa和298 K下對SF6 (3.48 mmol/g)和N2 (0.17 mmol/g)的吸附量最低。在298 K和1 bar條件下，Zn(DMBDC)(DABCO) 0.5對SF6的吸附量顯著高于Zn(BDC)(DABCO) 0.5，這是由于引入了甲基。Zn(TMBDC)(DABCO)0.5對SF6的吸附量與Zn(DMBDC)(DABCO)0.5在273/298 K和1 bar條件下的吸附量基本相同，但Zn(TMBDC)(DABCO) 0.5在0.1 bar(低壓)條件下對SF6的吸附量為2.48 mmol/g，高于Zn(BDC) (DABCO)0.5 (0.57 mmol/g)和Zn(DMBDC)(DABCO)0.5 (1.40 mmol/g)。

經(jīng)過5次SF6吸附-解吸循環(huán)后，Zn(DMBDC)(DABCO)0.5和Zn(TMBDC)(DABCO) 0.5對SF6的吸附保持不變。值得注意的是，SF6的兩步等溫線顯示，Zn(DMBDC)(DABCO)0.5和Zn(TMBDC)(DABCO) 0.5的閾值壓力分別為0.64和0.78 bar。這是MOF首次在SF6吸附過程中表現(xiàn)出開孔現(xiàn)象。推測門開現(xiàn)象與SF6氣體刺激下柔性苯環(huán)的額外傾斜有關(guān)。

要點：本文利用Clausius-Clapeyron方程計算了三種MOF在273 K和298 K下的吸附等溫線對N2和SF6的Qst。在零覆蓋條件下，SF6對Zn(TMBDC)(DABCO)0.5的Qst值為45.2 kJ/mol，高于對N2 (24.6 kJ/mol)的Qst值。對于這三種MOF, SF6的Qst均大于N2的吸附Qst，說明SF6與這三種MOF的相互作用強于N2。得到SF6對Zn(BDC)(DABCO)0.5的Qst值為為23.2 kJ/mol，低于Zn(DMBDC) (DABCO)0.5 (29.7 kJ/mol)和Zn(TMBDC)(DABCO)0.5。

IAST預測Zn(BDC)(DABCO)0.5、 Zn(DMBDC) (DABCO)0.5和Zn(TMBDC)(DABCO)0.5的SF6/N2 (SF6/N2 = 1/9)選擇性在298 K和1 bar下分別達到31.8、118.9和239。

要點：對于Zn(BDC)(DABCO)0.5，苯環(huán)方向的F原子與MOF吡啶環(huán)上的氫原子呈現(xiàn)多個- F???H -鍵長(2.989-3.039?)。靠近DABCO的F原子更容易與DABCO的H原子形成- F??H -鍵(2.782-3.605?)(圖5a)。與Zn(BDC)(DABCO)0.5相比，在Zn(DMBDC)(DABCO) 0.5中，F(xiàn)原子同時與H原子在不同位置(- F??H -(苯環(huán))(3.145-3.188 ?)、- F??H - (DABCO) (2.457-3.360 ?)和- F??H -(甲基)(2.749-3.369 ?))發(fā)生相互作用(圖5b)。

有趣的是，苯環(huán)在引入甲基后旋轉(zhuǎn)，使F原子更靠近苯環(huán)的中心。苯環(huán)附近的F原子通過F???π相互作用與宿主骨架協(xié)同作用(3.343-3.945 ?)。在Zn(TMBDC) (DABCO) 0.5中，SF6的優(yōu)先吸附位點與Zn(DMBDC)(DABCO)0.5中基本相同。負載在孔中的甲基提供了H位點，也收縮了孔。SF6在框架中通過12 - F???H-(DABCO)鍵(2.763-3.295 ?)固定(圖5c)。

要點：對于Zn(TMBDC)(DABCO)0.5 , N2快速穿透色譜柱。SF6的穿透時間為3900 s g?1，高于Zn(DMBDC)(DABCO)0.5 (1200 s g?1)，其中Zn(BDC)(DABCO) 0.5具有最短的SF6穿透時間(600 s g?1)，進一步證明了甲基改性改善SF6/N2混合物分離的可行性。

Zn(TMBDC)(DABCO)0.5可捕獲1.53 mol/kg的SF6，而Zn(DMBDC)(DABCO)0.5和Zn(BDC)(DABCO) 0.5的SF6計算值分別為0.65 mol/kg和0.29 mol/kg。如圖6(d-f)所示，三種MOF的穿透時間幾乎沒有變化，證實了MOF具有良好的再生和循環(huán)性能，是很有前途的吸附劑。

結(jié)論

綜上所述，本文報道了一系列用于分離SF6/N2混合物的鋅基MOF。與Zn(BDC)(DABCO) 0.5和Zn(DMBDC) (DABCO)0.5相比，Zn(TMBDC)(DABCO)0.5在低壓下對SF6的吸附和對SF6/N2的選擇性最高。由于其微孔被甲基密集功能化，因此在吸附能力和氣體選擇性之間表現(xiàn)出一種平衡。它的性能超過了大多數(shù)先前報道的材料。Zn(DMBDC)(DABCO)0.5和Zn(TMBDC)(DABCO)0.5由于其柔性結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)階梯吸附等溫線。理論計算表明，SF6通過其通道中的甲基與框架的相互作用更強。循環(huán)穿透實驗證實，由于Zn(TMBDC)(DABCO) 0.5的甲基與SF6的F原子之間有很強的結(jié)合力，因此可以用Zn(TMBDC)(DABCO)0.5分離真實的SF6/N2混合物。這表明它可以應用于捕獲其他等離子體蝕刻氣體，如CF4和NF3。這項工作可能有助于設計具有不同官能團修飾的超微孔MOFs來吸附和分離其他溫室氣體。