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CH4-N2和SF6-N2的分离对节约资源和保护环境具有重大意义,当前低温蒸馏技术由于耗能高,操作不灵活是工业分离所面临的问题之一。作为一种新型的多孔材料,金属-有机骨架材料(MOFs)由于具有较好的结构和化学可调控性,在气体分离表现出潜在应用价值。然而目前存在的普遍问题是分离选择性或吸附容量相对较低,并不能达到工业上的要求,特别是一些评价吸附剂分离性能的综合指标,如吸附剂选择性参数(SSP),当前绝大多数吸附剂对于特定的混合体系的SSP数值较低。因此,本工作设计并合成出多种MOF材料,并对其CH4-N2和SF6-N2分离性能进行了综合评价,论文的主要研究成果如下:(1)合成了具有两种不同微孔道性质的三维Cu-MOF,该材料表现出对CH4-N2较高的分离性能,吸附选择性为10.00-12.67,SSP为65.73。密度泛函理论计算表明,通过在亲水孔和疏水孔中分别形成多点范德华相互作用,骨架对CH4分子表现出较强的作用力;与此同时,疏水孔的弱极性和亲水孔中的不饱和金属位点被占据,导致对N2的吸附量较低。同时,该材料具有良好的稳定性和可再生性,是一种可用于有效分离CH4-N2混合物的理想吸附剂。(2)提出了一种利用合适尺寸的脂肪族配体在金属-有机骨架(MOFs)中构建优先吸附CH4分子笼的策略,用于高效分离CH4-N2。以反式-1,4-环己烷二甲酸(H2CDC)为配体,以不同金属为连接中心(M-CDC,M=Al、Cu和In)的一系列MOFs对CH4-N2混合物表现出优异的分离性能,具有目前文献报道的最高分离选择性(13.1-16.69),特别是Al-CDC的SSP数值高达82.0,是文献报道最高值的2～3倍。穿透实验表明,Al-CDC可以完全分离CH4-N2。理论计算证明,脂肪族配体形成的笼孔结构,可优先捕集CH4。此外,用沸水、酸和碱溶液处理样品并对样品进行至少10次CH4-吸附-脱附次循环后,仍能很好地保持分离性能。这些结果不仅为CH4-N2分离提供了候选材料,而且为其它性质相似的弱吸附质的分离材料的设计提供了有用的信息。(3)合成了一种具有不同孔结构的Cu-MOF-OCH3,该材料具有不饱和金属位点和甲氧基的双重特性,具有良好的水热稳定性和SF6吸附-脱附再生性能。在298K和1bar下的分离选择性和SSP数值分别达到361和780,且均远高于文献报道值。理论计算表明,亲水性孔道中的铜不饱和金属位点与疏水性孔道中甲氧基官能团的协同作用,使得该材料具有优异的SF6-N2分离性能。