机械压力成型对金属有机骨架结构及气体吸附的研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:cainiao13939867
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金属有机骨架固体(MOFs)材料是一类新兴的多孔有机-无机杂化材料,其金属中心和有机配体通过配位键有序连接形成具有框架结构的晶体材料。同时大多数MOFs的金属中心还会暴露出空余的活性位点,对催化、吸附和药物运输都有着很广阔的研究价值。由于其较大的比表面积和孔道结构可变性,同时易于对其功能进行修饰,金属有机骨架在气体储存和分离方面具有十分大的应用前景。随着当今新能源材料工业化进程的推进,金属有机骨架也将逐渐走进实际应用的范畴。在实际应用过程中金属有机骨架就会不可避免地会遇到各种机械应力的作用,研究MOFs的机械稳定性就显得十分关键。利用机械压力对MOFs粉末材料直接压力成型是一种比较简单直接快速的成型方法,但是这样的成型方法就必须要首先弄明白机械压力和MOFs材料结构的关系。MOFs粉末材料在未成型之前虽然拥有良好的性能,但是松散状态下不利于材料的运输、存放以及应用。寻求良好的成型方法既能保证MOFs的各种性能同时还节省空间,利于实际应用和运输存放。传统的湿法挤条和造粒都加入少量的粘结剂,这会使得原有的孔道被堵塞,覆盖了MOFs表面的活性位点。单纯的机械压力直接压缩MOFs成型则需要在保证其形貌结构和孔道结构存在的条件下进行压缩成型,保证吸附性能良好的同时节约材料成本。基于以上的研究,本课题选取了具有较大比表面积的两种典型的MOFs材料MIL-101(Cr)和Cu-BTC作为研究对象。通过使用单轴机械压力对这两种材料施加不同的压力,通过XRD、SEM和N2吸脱附对加压之后的材料结构和孔道进行分析。发现在较低的压力(50MPa-100MPa)的压力范围内两种MOFs结晶度更好,100MPa以上的机械压力虽然使晶体结构保留,但是其孔道结构遭到不同程度的破坏。除了研究结构上的变化,本课题还对粉末材料以及机械压力成型的MOFs材料进行了气体吸附实验。通过这些材料对H2、CH4和CO2的吸附性能的测试判断出在50MPa左右的机械压力既可以使MOFs粉末成型保证其晶体结构和孔道结构,还尽可能地保证了单位质量的MOFs对气体吸附量损失在25%以内。同时压缩后的材料与等体积的粉末材料相比,单位体积的柱状MOFs颗粒材料吸附量明显高于粉末材料的吸附量。对此50MPa单轴机械压力成型MOFs颗粒同时保证了单位质量的吸附量和单位体积的吸附量。
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