研究背景

六氟化硫 (SF₆) 因其卓越的介电和灭弧性能而被广泛用作电力行业的保护气体。然而，它也因其显著的温室效应而闻名。就全球变暖潜能值（GWP）而言，SF₆是二氧化碳的23900倍。目前，在将含有SF₆的工业废气排放到环境中之前，焚烧是处理这些废气的主要处理策略。一种有更加绿色的替代方案是从废气中回收SF₆，这种处理策略既可以减少环境影响，同时也能产生经济效益。通常情况下，含SF₆的工业废气首先用碱性溶液处理，以去除微量酸性和腐蚀性杂质，从而形成具有高湿度的SF₆和N₂混合物。现有的分离SF₆/N₂混合物的技术，包括低温蒸馏、液化和低温冷冻。这些回收方法常会有面临回收的SF₆纯度较低或能源成本高昂等问题。因此，迫切需要能够直接回收高纯SF₆ (>99.9%)的节能分离技术。目前，利用金属-有机框架(MOFs)进行吸附分离被认为是一种有前景的能源成本降低的替代技术。然而，大多数报道的MOFs吸附剂面临SF₆回收纯度低，湿度条件下不稳定等问题。因此，需要进一步开发新型吸附剂来满足SF₆的工业回收需求。

主要研究内容

本项工作中，报道了吡唑基MOF (BUT-53)作为吸附剂用于实现高纯SF₆ (>99.9%) 的一步提纯回收。该框架中的动态分子阱可通过孔道尺寸自调节作用来容纳SF₆分子以实现对SF₆的高效捕集。得益于其优越的SF₆捕获能力, BUT-53可以在单次穿透循环中直接获得纯度超过99.9%的SF₆。如此优异的分离能力也归因于其破纪录的SF₆/N₂ (1:9) 选择性 (2485)。 除此之外, 由于BUT-53具有较好的疏水性以及较高的SF₆/H₂O动力学选择性，其可保持5轮以上的湿度条件下SF₆分离能力，展现出极高的实用性。

图1. （a）BUT-53晶体结构，体现其动态的孔道和笼状结构;（b）BUT-53的SF₆吸附量以及SF₆/N₂选择性与其他报道材料进行比较;（c）通过脱附计算出的穿透曲线和SF₆纯度; (d) 在相对湿度90%条件下的SF₆/N₂ (1:9)混合气的5次穿透循环。

总结与展望

这项工作不仅展示了BUT-53从低浓度混合物中回收提纯SF₆的高效性能，还强调了MOF的自适应孔径和表面极性在潮湿条件下提高分离性能的关键作用。从这项研究中获得的结论进一步支持了MOF作为吸附剂材料用于具有挑战性分离过程的极大潜力。

DOI: 10.1021/jacs.4c05075