新型氟硅酸盐多孔杂化材料的制备及气体分离性能研究

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金属有机框架材料(MOFs)作为一种新型多孔材料,由于其高比表面积、孔径可调、易于官能化等优点在气体存储及分离等领域得到了广泛的关注。其中,新型氟硅酸盐多孔杂化材料(SIFSIX)易于通过改变配体的长度及官能团来调控气体吸附性能,因此在气体分离领域得到了广泛的研究。本文研究了新型氟硅酸盐多孔杂化材料[M(L)2(Si F6)]n(M=金属离子;L=有机配体)在二氧化碳捕获、乙炔纯化、乙烯纯化等领域的吸附分离性能,研究了有机配体类型和功能基团对材料的气体分离性能的影响。首先,用多孔材料从烟道气中捕获二氧化碳(CO2)被认为是替代传统液态胺吸附技术的有效方案。大量的微孔MOFs材料已被开发为CO2捕获材料。然而,设计一种同时具有极高的CO2吸附能力和气体选择性(trade-off效应)以及适度吸附热的MOFs材料是具有挑战性的。文中合成了一种与SIFSIX-2-Cu-i同构的新型氟硅酸盐多孔杂化材料[Cu(dpt)2(Si F6)]n(称为UTSA-120;dpt:3,6-二(4-吡啶基)-1,2,4,5-四嗪)。UTSA-120同时具有很高的CO2捕获能力(在0.15bar和296 K时为3.56 mmol g-1)和CO2/N2选择性(600),均优于SIFSIX-2-Cu-i和其他大多数MOFs材料。通过中子粉末衍射研究表明,低压区的出色的CO2捕获能力和适度的CO2吸附热可归因于合适的孔径和双重功能位点(Si F62-和四嗪),不仅能与CO2分子相互作用,而且还使得框架内的CO2分子紧密堆积。通过模拟和实际穿透性实验表明,UTSA-120a在常温常压条件下可以有效地从CO2/N2(15/85,v/v)和CO2/CH4(50/50,v/v)混合气体中捕获CO2气体。其次,C2H2是一种重要的燃料气体和化学原料,C2H2生产过程中常存在有杂质CO2。由于C2H2和CO2相似的分子尺寸(分别为3.32×3.34×5.70?3和3.18×3.33×5.36?3)和物理性质(沸点分别为-84℃和-78.5℃),难以实现C2H2/CO2的高效分离。本文制备了一种与SIFSIX-3-Ni同构的新型氟硅酸盐多孔杂化材料[Ni(pyz-SH)2(Si F6)]n(称为ZJUT-2;pyz-SH:2-巯基吡嗪)。通过将功能性硫醇基团(-SH)引入到SIFSIX-3-Ni框架中,巧妙地改变孔径和结合位点以破坏SIFSIX-3-Ni中完美的CO2结合环境,并增强对C2H2的亲和力,使其更有利于吸附C2H2,从而逆转C2H2/CO2的吸附选择性。通过单组分吸附性能研究、IAST选择性计算、GCMC模拟以及动态穿透性实验表明,ZJUT-2a在常温常压条件下可以实现C2H2/CO2(50/50,v/v)的高效分离。另外,这也是首次在超微孔金属有机框架平台中通过精确控制孔径和功能性进而逆转了乙炔和二氧化碳之间的吸附选择性。最后,从C2H2/C2H4混合物中去除C2H2是最重要的工业气体分离之一。本文以有机配体bpdh(2,5-双(4-吡啶基)-3,4-二氮杂-2,4-己二烯)为有机配体,构筑合成了新型氟硅酸盐多孔杂化材料[Cu(bpdh)2(Si F6)]n。通过单组分吸附性能研究、IAST分离选择性和吸附热Qst计算表明,[Cu(bpdh)2(Si F6)]n具有优异的C2H2吸附能力(在1 bar和296 K时为5.22 mmol g-1)和出色的C2H2/CO2(50/50,v/v)和C2H2/C2H4(1/99,v/v)分离选择性,分别为670和3000。这种优异的分离性能归因于合适的孔径和孔表面的双重功能化(吖嗪和Si F62-),使得[Cu(bpdh)2(Si F6)]n在C2H2/CO2和C2H2/C2H4的高效分离中表现出优异的性能。
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