论文部分内容阅读
金属有机骨架材料(MOFs)是由含氧、氮等的多齿有机配体与金属离子自组装而成的配位聚合物。MOFs具有较大的比表面积、多孔且孔道结构可调、表面可功能化修饰等特点,可应用于气体储存分离、催化等领域。类沸石咪唑类金属有机材料(ZIFs)属于MOFs材料的分支,与沸石有相似的四面体空间结构、相似的键角,与其它MOFs材料相比ZIFs拥有出色的化学稳定性。ZIF-8是ZIFs材料成膜研究中较成熟的体系,它具有SOD拓扑结构,很好的水热稳定性,孔径为0.34nm,其结构特点适合制作成膜应用于气体分离。本文选用ZIF-8为成膜研究体系,以多孔α-Al2O3陶瓷管为载体,采用在载体表面引入氧化锌层的策略,诱导合成ZIF-8膜。针对不同载体的孔结构,分别在其表面合成ZnO纳米粒子、ZnO网以及ZnO纳米棒,诱导合成相应连续致密ZIF-8膜。ZnO层起到修饰载体、诱导ZIF-8的合成与成膜、链接载体与ZIF-8膜三重作用,最后通过优化合成条件得到连续致密的ZIF-8膜。主要研究内容如下：大孔管式载体内侧引入ZnO纳米粒子层,但其修饰载体的功能有限,不能诱导形成足够致密的ZIF-8膜。将多孔的网状ZnO引入大孔管式载体表面,达到了修饰载体表面缺陷的目的,经过活化处理,制得厚度为15μm左右的高质量的ZIF-8膜。膜对H2的渗透通量为2.14×10-7mol/(s·m2·Pa), H2/CO2、H2/N2、H2/CH4的理想分离系数分别为5.18、8.32、8.30,具有一定的筛分效应,且该膜材料在150℃下长时间测试稳定性良好。此过程中ZnO层的引入与活化处理是成膜的关键。本文创新性的在多孔载体表面引入ZnO纳米棒,诱导合成具有ZIF-8@ZnO’‘钢筋砼”结构杂化膜,此种杂化膜结合了ZnO棒的骨架稳定性与ZIF-8材料的分离功能,避开了单纯ZIF-8膜的缺点。合成过程中首先在管式载体内侧引入ZnO纳米棒,借助ZnO对ZIF-8的诱导作用,通过原位法在ZnO棒之间合成ZIF-8, ZIF-8与ZnO相互咬合交织生长形成杂化结构膜,其厚度为3μm左右。通过调节ZnO棒微结构与ZIF-8合成条件探索出此杂化膜的最优合成条件,对其进行气体单、双组分渗透分析,其氢气通量为8.01×10-8mol/(s·m2·Pa), H2/CO2、H2/N2、H2/CH4的理想分离系数分别为5.01、10.3、12.5,且具有很好的热稳定性。