MOF-74@GO复合材料的功能化修饰及其CO2吸附性能研究

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缓解化石燃料燃烧所排放的CO2,对当下日益严重的气候问题来说至关重要。以多孔材料为应用核心的吸附法在CO2捕获领域极具发展潜力,研究开发吸附容量高、热稳定性能优异的吸附材料以及高效的材料制备工艺是当下吸附技术领域的重要研究方向。针对高温下金属-有机骨架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)材料结构的失稳和CO2吸附性能低的问题,鉴于MOFs材料的可修饰性,采用一锅溶剂热法,分别制备氧化石墨烯(GO)和有机胺负载MOF-74复合材料,获得原位修饰的最佳工艺条件;在此基础上,通过对优化的固体吸附剂MOF-74@GO进行多官能团后功能化修饰,表征并评价了CO2的吸附平衡和动力学。主要研究结论如下:(1)通过溶剂热法在GO上原位生长MOF-74晶体。制备出MOF-74@GO复合材料。当GO添加量为0.3%时,通过金属离子与GO结构中的含氧基团配位,成功制备出具有多孔结构的MOF-74@GO-3。结果表明,其热分解温度为393℃,CO2吸附容量为113.39 cm~3/g,较母体MOF-74提高了23.12%。(2)选择三乙胺(TEA)、四乙烯五胺(TEPA)和聚乙烯亚胺(PEI)三种氨基修饰剂对Mg-MOF-74晶体进行合成后修饰。结果表明,不同结构的氨基修饰剂对CO2捕集性能具有影响,且吸附量随有机胺负载量的增加而减小。伯胺和仲胺(TEPA和PEI)基团显示出比叔胺(TEA)基团更好的CO2捕获能力,而TEPA修饰的吸附性能强于PEI修饰。其中,当TEPA含量为30%时,其热分解温度为376℃,CO2吸附容量为119.96cm~3/g,较母体MOF-74提高了30.25%。(3)通过直接合成和后修饰,在MOF-74中引入与CO2分子相互作用较强的极性官能团,构筑同时具有GO和氨基基团的双功能化MOF-74结构。结果表明,GO和TEPA的共修饰有利于形成多孔结构,提高了MOF-74的热稳定性和CO2吸附性能。其热分解温度为382℃,CO2吸附容量为129.42 cm~3/g,较母体MOF-74提高了40.52%。吸附质与框架之间的潜在相互作用研究表明,TEPA-MOF-74@GO对CO2的吸附等温线同时符合Langmuir和Freundlich模型,吸附过程符合拟二级动力学。
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