乙烯（C₂H₄）是全球产量最大的基础化学品之一，也是聚烯烃工业的核心原料，被称为“石化工业之母”。乙烯的生产与提纯技术水平，更是衡量一个国家石油化工产业综合实力的核心指标。然而，在乙烯制备过程中会同步生成乙烷（C₂H₆）杂质，为获得满足聚合工艺要求的高纯乙烯，必须实现乙烯/乙烷的深度分离。由于乙烯与乙烷高度相似的物理化学性质，使得二者的分离被公认为“全球七大化学分离难题”之一。传统低温精馏分离工艺能耗巨大，相比之下，基于多孔材料的吸附分离技术，是替代高能耗精馏工艺的潜在绿色低碳路线。然而如何开发兼具高选择性与高吸附容量的C₂H₄/C₂H₆吸附分离材料，仍是该领域亟待解决的关键问题。

针对上述难题，闫文付、于吉红教授提出了柔性框架、Brønsted酸位点、骨架外阳离子协同门控的设计策略，以柔性SAPO-RHO分子筛为基础，通过精准调控骨架Brønsted质子H⁺与骨架外阳离子Li⁺比例，构建质子H⁺—Li⁺离子协同门控新机制，开发出选择性与工业应用前景兼具的Li-2-SAPO-RHO吸附剂材料（图一）。结合三维旋转电子衍射、中子衍射、Li固体核磁共振、密度泛函理论（DFT）等多维度表征与计算手段，证实了Li⁺主要分布于SAPO-RHO分子筛的6元环孔口，少量分布于8元环窗口，质子H⁺则集中分布于硅取代骨架位点。从头算分子动力学模拟（AIMD）结果进一步表明，位于8元环窗口的质子H⁺可与C₂H₄形成π相互作用，大幅降低C₂H₄扩散能垒；而8元环窗口中的Li⁺形成的“离子门”，显著提升了C₂H₆传质阻力。在二者协同作用下，放大了C₂H₄/C₂H₆扩散动力学差异，从而实现高效筛分。

性能测试结果显示，Li-2-SAPO-RHO不仅可以实现C₂H₄/C₂H₆的高效分离，同时能够从多组分炼厂干气中回收纯度＞99.9%的聚合级C₂H₄，产率可达238.6 mmol/L。此外，干湿环境（25%相对湿度）下C₂H₄/C₂H₆双组分动态穿透循环实验证实，材料经多次吸附/脱附再生后，分离性能无明显衰减。该分子筛具备优良水热稳定性、抗湿性能，合成原料成本低廉、易于规模化量产，产业化落地优势突出。

本工作提出的“协同门控”通用设计思路，突破了传统分子筛静态孔径筛分的性能局限，通过协同调控主-客体相互作用、8元环窗口的门控行为和分子扩散能垒，为设计开发适用于结构与性质相似的烯烃/烷烃及其它轻质低碳气体高效分离的分子筛基吸附剂材料开辟了全新路径。

相关成果以“Gate-Tailoring with Protons and Metal Cations in a Flexible Zeolite for High-Efciency Ethylene/Ethane Separation”为题发表于Journal of the American Chemical Society期刊。四虎影视 王晓贺博士，太原理工大学李立博教授，中国科学院大连化学物理研究所闫娜娜副研究员，南京工业大学王磊副教授和西班牙瓦伦西亚理工大学Reisel Millán博士为共同第一作者；四虎影视 闫文付、于吉红教授，太原理工大学李晋平教授，中国科学院大连化学物理研究所郭鹏研究员和西班牙瓦伦西亚理工大学Mercedes Boronat教授为共同通讯作者。

图一：Li-2-SAPO-RHO分子筛材料中Li⁺离子与质子H⁺“协同门控”作用实现C₂H₄/C₂H₆高效选择性分离示意图

全文链接：//doi.org/10.1021/jacs.6c06425.