乙炔气体是作为乙炔燃烧器和化学原料使用的重要物质，但压缩至2个大气压以上时存在爆炸的危险，因此一直在利用非常重的溶剂（气瓶封装）。并且在使用时会混入溶剂，导致乙炔纯度降低，作为化学原料使用时往往需要提纯设备。
京都大学iCeMS（物质-细胞统合系统基地）的基地主任兼特别教授北川进与特定助教大竹研一等人组成的研究团队与液化空气集团（Air Liquide）合作，成功开发出了可以安全大量储存和运输高纯度乙炔的多孔材料。大竹特定助教表示：“自然界中存在通过吸附改变结构的S型吸附机制，我们以此为基础设计了软质PCP。此次我们还证实了，即使利用液化空气集团制作的原型试验机，也能以1.5个大气压大量储存乙炔。今后还打算将其应用于其他气体。”相关内容已经发布在Nature Chemistry的网络版上。
图1：典型刚性吸附剂和软质多孔材料的吸附等温线曲线和可用容量的比较（供图：京都大学iCeMS）
在自然界中，作为气体储存和运输机制，血红蛋白具有吸附氧气后改变结构的S型吸附特性，能有效地大量输送气体。二氧化硅和沸石等典型吸附材料的吸附等温线呈抛物线状上升，而软质PCP具有在一定的压力下吸附量急剧上升的S型吸附等温线，因此研究团队认为，如果能开发出在1～2个大气压之间表现出吸附和解吸特性的S型吸附材料，就非常有希望作为乙炔气瓶的固体填充剂使用。
PCP是由有机分子和金属离子组成的具有重复结构的结晶性多孔材料，内部有无数小孔整齐有序地排列。与沸石和活性炭等普通多孔材料不同，通过设计细孔结构，可以为其赋予功能。
研究团队此次以任意比例在锌离子和4,4-联吡啶中混合对苯二甲酸和2-氨基对苯二甲酸（或者2-硝基对苯二甲酸），合成了PCP，并系统地调查了其吸附特性。这种PCP具有由有机分子和金属离子构成的攀爬架状网络相互贯穿的结构，对乙炔表现出敞开的吸附特性。另外还发现，通过改变导入骨架的官能基的比例，可以广泛地精确控制吸附和解吸压力的范围。
图2：本研究开发的软质多孔吸附剂，从150千帕开始能吸附较多乙炔，在200千帕下能大量吸附乙炔，在100千帕下释放乙炔（供图：京都大学iCeMS）
此外，还利用液化空气集团制作的气瓶原型机确认，可以在1.5个大气压下开始吸附大量乙炔，在1个大气压下释放。在迄今为止报告的所有多孔质材料中，其1.5个大气压的可用容量是最大的。以往的气瓶可以容纳1400升乙炔，但需要19个大气压，取出的乙炔浓度低于95％。试制的气瓶虽然容量只有700升，但可在1.5个大气压下储存，并且只需打开阀门即可取出99.99％浓度的乙炔气体。由于压力低，无需像以往那样使用厚钢制造，还可以实现轻量化和大型化。
北川基地主任表示：“乙炔是对化学合成至关重要的物质，但此前一直没有运输高纯度乙炔的方法。过去即使想将乙炔作为化学合成材料使用，但因为无法大量运输且纯度低，所以无法使用。如果此次开发的气瓶能投入使用，乙炔就可以作为化学原料使用，此前一直没有进展的使用乙炔的有机合成将逐渐取得进展。”
【论文信息】
发表期刊：Nature Chemistry
论文题目：Tunable acetylene sorption by flexible catenated metal–organic frameworks
DOI：10.1038/s41557-022-00928-x
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
