金属有机框架纳米陷阱协同分子筛效应实现四甲基硅烷中异戊烷的高效筛分

针对四甲基硅烷(TMS)与异戊烷沸点接近导致的传统分离能耗高难题，研究人员开发了[M3(HCOO)6]系列超微孔MOFs材料。其中Co3(HCOO)6通过纳米陷阱与分子筛协同作用，在308 K/60 kPa下实现异戊烷吸附量2.72 mmol·g?1与TMS纯度>99.999%，其成型颗粒Co3(HCOO)6@5%PES保持0.279 kg·kg?1产能，为电子特气纯化提供新策略。

　　

在半导体制造和先进材料领域，四甲基硅烷(TMS)作为关键前驱体，其纯度直接影响硅碳化物薄膜和低介电材料的性能。然而工业生产中，TMS常与沸点仅差1K的异戊烷形成共沸物，传统蒸馏分离需消耗巨大能量。虽然沸石分子筛曾被尝试用于该体系，但固定孔径和有限吸附位点导致其选择性与容量难以兼得。这一瓶颈促使科学家将目光投向具有结构可调特性的金属有机框架(MOFs)。

中国科学院团队在《Separation and Purification Technology》发表的研究中，创新性地将纳米陷阱与分子筛效应协同设计，开发出[M₃(HCOO)₆]系列材料。通过精确调控过渡金属节点(M = Co, Mg, Ni)，构建了5.03-6.34 ?的限域孔道，其孔径介于TMS(6.45×6.55×6.90 ?³)与异戊烷(5.01×6.15×7.78 ?³)分子尺寸之间。配合骨架中高密度氧原子形成的强相互作用位点，实现了"尺寸排阻+特异性捕获"的双重分离机制。

研究采用粉末X射线衍射(PXRD)验证晶体结构，通过热重分析(TGA)评估热稳定性，结合气体吸附测试和理想吸附溶液理论(IAST)计算选择性。突破性实验模拟工业条件，采用聚醚砜(PES)粘结剂制备成型颗粒。

【Results and discussion】部分揭示：

1. 结构特性：Co₃(HCOO)₆具有一维菱形通道，其5.03×6.24 ?²窗口形成分子筛分阈值，而Mg/Ni类似物因孔径略大导致选择性下降。
2. 吸附性能：Co₃(HCOO)₆在308 K/60 kPa下对异戊烷吸附量达2.72 mmol·g^?1，TMS仅0.33 mmol·g^?1，IAST选择性高达345。
3. 成型验证：Co₃(HCOO)₆@5%PES颗粒保持2.59 mmol·g^?1吸附量，TMS纯度达99.9993%，突破传统成型材料性能衰减的局限。

【Conclusion】指出该工作首次实现MOFs材料在TMS纯化中的工业级应用，其创新点在于：

1. 通过金属节点精确调控孔径，使Co₃(HCOO)₆窗口尺寸恰好允许异戊烷进入而阻挡TMS；
2. 甲酸根配体形成的氧原子纳米陷阱增强对支链烷烃的捕获能力；
3. 成型工艺突破使材料可直接用于变压吸附(PSA)装置。该技术有望将TMS纯化能耗降低至传统方法的1/5，为电子特气纯化树立新标准。研究获得国家自然科学基金(22271203)和珠海科耀新材料有限公司支持，由Yanqi Zhu、Zheng Niu等共同完成。