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西北工业大学理学院陈凯杰教授团队在《Science》杂志发表重要科研成果(2)

2019年11月06日 15:01来源:未知手机版

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三种吸附材料的微观结构与单组分气体吸附数据

提到“多孔材料”,我们会联想到生活中常见的海绵。不过陈凯杰团队所使用的“多孔材料”是金属-有机框架材料(Metal-Organic Frameworks),即由金属离子和有机小分子通过配位键连接形成的原子三维有序排布的多孔晶体材料。该类材料中孔道大小通常小于2 纳米。事实上,乙烯的分子尺寸在四种气体中并不是最大或最小,从分子尺寸角度想到的“分子筛”办法行不通。从分子作用力的角度思考,如果乙烯分子的四极矩在四种气体中最大或最小,就倾向于和多孔材料之间形成最强或最弱的吸附力,也是一个分离乙烯的思路,但乙烯的分子四极矩恰恰也处于中间。正因为乙烯分子四极矩和尺寸都居中的特性,以往的研究大多都聚焦在两种气体中分离乙烯,极少数研究实现了三种气体中的乙烯提纯。因为每增加一种气体,想要一步分离制备乙烯的难度就大得多。

四种气体在三种MOF材料内的吸附位点表征

如果使用一种材料无法一步将乙烯从四种气体中过滤出来,那么能否使用对特定气体有最强吸附力的三种材料,分别来捕获掉乙炔、乙烷、二氧化碳?只要乙烯在这三种材料中都不被吸附,那么乙烯就会最先从吸附柱末端流出富集。

这个“脑洞大开”的设想最终成为了现实。陈凯杰团队通过长时间的探索与验证,终于选定了三种具有特异性孔道结构的MOF材料。每种材料都能优先吸附自己“喜欢”的一种气体。这样再把这三种吸附材料以串联的形式装填进单一吸附柱中,并最终实现了乙烯的一步分离纯化。这种串联式的吸附柱装填方式,相较于串联排布三个吸附柱,能够有望在未来的工业应用中大大降低分离装置的尺寸和样品活化程序。

“85后教授”并非一路坦途

谈到当时选择回国加入西工大,他讲到“我出国的时候就想好,一定会回国。也许是受军人出身的爸爸影响,当时就觉得学成后应该回报培养自己的国家。”陈教授的女儿当时在爱尔兰出生,他没加思索地为女儿选择了中国国籍。陈教授说道,“西工大是一所有家国情怀的高校,有担当,有精神,是个可以踏踏实实干事,施展抱负的地方。”

自入职西工大以来,陈凯杰得到学校和学院政策的大力支持,在团队的共同努力下开展此项研究,论文的主要合作作者还包括西工大孔杰教授和张秋禹教授。近年来,学校高度重视基础研究发展,在学校党委的领导下通过顶层设计和统筹规划,优化学科和重大研究方向布局,设立并实施了 “3-10”重大科技计划,高强度支持重大原创性研究,基础研究逐步取得了突破性的进展。此项研究得到了“3-10”(10个重大科技问题、10个新兴交叉方向、10个学科点)重大科技项目,国家自然科学基金委,青年千人等项目的资助。

串联式排列吸附柱与竞争性气体吸附数据

这位在国际顶级学术期刊上发表论文的西工大青年教师,是一名1986年出生的年轻教授。但这却不是一个天才一路顶着光环走来的故事,你会发现科研和成长的道路永远不是一片坦途。

陈凯杰教授提及,自己当年在中山大学进行博士阶段学习时,也曾遇到科研瓶颈,在发表成果方面并不能让自己满意。当时他面临一个艰难的选择,是放弃科研这条路,还是再给自己一个机会?

当时的他想再努力一把,觉得自己当下取得的成绩虽然并不如意,但却也感到自己已经在导师陈小明院士课题组打下了扎实的科研基础和能力,总觉得未来会有属于自己的机会。最终,他选择了去国外深造,在爱尔兰利莫瑞克大学从事博士后研究。“我很庆幸做了这个决定,没有放弃。我经常和博士生们讲,你们现在发的文章比我当初发得好多了,要坚持。”

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