用于有毒气体和水吸附的功能化金属—有机骨架复合材料的设计与制备

来源 :北京化工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ztcld2003
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金属-有机骨架材料(MOFs)是通过有机配体和无机金属中心之间的配位键自组装合成的多孔纳米晶体材料。MOFs因其具有易功能化修饰,孔径尺寸高度可调性,高的比表面积以及优良的水热稳定性的特点而快速发展起来,吸引学者的研究兴趣,使得其在多个领域都表现出了广泛的应用。气体吸附分离对人类健康、工业发展都具有重要的意义,同时固体吸附剂在气体吸附分离过程中起着重要作用。本文针对三种极性气体,如氨气(NH3)、二氧化硫(SO2)和水蒸汽(H2O),通过用不同的方法,得到了优异的MOF复合材料,同时对不同气体的吸附分离性能进行研究,主要的工作:1、设计了对极性气体NH3具有多个吸附位点的不同离子液体(ILs),选取的多孔载体为MOF材料:MIL-101(Cr)。通过负载不同的ILs和提高MOF材料中ILs的负载量,引入更多的NH3吸附位点。实验结果表明:随着ILs含量的增多,所得到的IL@MIL-101(Cr)复合材料的吸附量也在增加,NH3吸附量最终达到了26.58 mmol/g。所以,引入ILs改性MOF材料有利于NH3的吸附储存,同时可以提高MOF材料低压下的NH3吸附能力,去除低浓度的NH3。2、设计了对酸性和极性气体SO2具有多吸附位点的碱性ILs([BOHmim]Cl),然后选择MOF材料作为多孔载体来负载ILs。设计的IL@MIL-101(Cr)复合材料可以用于选择性吸附SO2。结果表明:所得到的IL@MIL-101(Cr)-70%复合材料对SO2吸附量达到13.18 mmol/g。在0.01 bar下的吸附量相对MIL-101(Cr)的吸附性能提升了3.3倍。在1bar下几乎不吸附二氧化碳(CO2,0.26 mmol/g)和氮气(N2,0.07 mmol/g),可以实现SO2、CO2和N2的分子筛分。3、设计了对于高极性H2O具有不同吸附位点的ILs,将其引入MIL-101(Cr)进行功能化。通过引入多吸附位点,MOFs在其表面和孔道能显示出大量暴露的吸附位点提高H2O吸附性能;同时利用ILs对于H2O的溶解度不同,在吸水过程中MOFs内部的ILs可以提供渗透压来驱动水从其表面迁移到内部,为了达到动态平衡,从而实现ILs限域-非限域的转化。所以,将其负载在MOFs上可以克服孔体积的限制,克服ILs传质问题,从而获得更好的水蒸汽吸附性能。结果表明,使用具有多吸附位点和亲水性好的[BOHmim][Zn2Cl5]获得的IL@MOF复合材料,可以在298 K时实现了高吸水能力(477 wt%,RH=95%)。因此,精细设计的MOFs与吸湿液体介质ILs相结合可以成为捕集高极性分子的潜在替代品。
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