基于双溶剂法制备Cu(Ⅰ)改性吸附剂及其性能研究

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一氧化碳(CO)是化学工业中最重要的原材料之一,被广泛用于合成各式各样的化合物。从合成气的蒸汽重组、钢铁厂的尾气和烃类的部分氧化等途径能够得到大量的CO原料,但是这些原料气中除了CO之外,一般还包括诸如CH4和N2等杂质气体。因此,从混合气中分离和回收CO就显得尤为重要。由于金属离子(如Cu(Ⅰ))与不饱和键之间形成的π络合吸附作用力强于范德华力,因此络合吸附剂对CO展现出优越的吸附选择性,具备较好的应用前景。同时,选择合适的的载体对吸附剂的吸附容量有着至关重要的影响,其中具有巨大的比表面积和高孔隙率的金属有机骨架材料(MOFs)在气体储存、分离、催化以及药物运输等领域具有广阔的应用前景。但是通过传统方法(浸渍法和固相研磨法)难以保证活性组分都被限域在载体的孔道内,造成部分聚集在孔道外的活性组分的浪费。本文针对上述问题,采用双溶剂法,利用MOFs内外部亲水性的不同,通过毛细作用,使得活性组分完全进入载体的孔道内,提高吸附剂的吸附性能。  首先,金属有机骨架材料MIL-101(Cr)为载体,采用双溶剂法,将前驱体Cu(Ⅱ)完全引入MIL-101(Cr)孔内,再采用液相还原法结合双溶剂法,选择性地还原Cu(Ⅱ),得到吸附剂Cu(Ⅰ)@MIL-101(Cr)。这种方法实现了传统方法难以实现的在温和条件下有效得得到MOFs孔道内高度分散的Cu(Ⅰ)。制备得到的样品通过X射线衍射(XRD)和77 K氮气吸附等温线等一系列的表征,确定了复合材料Cu(Ⅰ)@MIL-101(Cr)良好的保持了MIL-101(Cr)骨架结构。X射线光电子能谱(XPS)和滴定实验表明液相还原法结合双溶剂法能够选择性的将Cu(Ⅱ)还原成Cu(Ⅰ)。MIL-101(Cr)孔道内高分散Cu(I)纳米颗粒对于在25℃和1 atm下选择性从CH4和N2中吸附分离CO,展示了非常好的吸附性能。双位点Langmuir(DL)模型能很好地拟合纯组分吸附实验数据,同时结合理想溶液吸附理论(IAST)预测了各吸附剂对CO/CH4和CO/N2的吸附选择性。结果表明,液相还原法结合双溶剂法制备的样品具有很好的吸附容量和吸附选择性,同时通过双溶剂法引入Cu(Ⅱ)前驱体的样品的吸附容量和吸附选择性要优于通过浸渍法引入Cu(Ⅱ)前驱体。当铜负载量为4 mmol·g-1时,吸附剂Cu(Ⅰ)MCr-4的CO吸附容量达到最大(2.42 mmol·g-1),对CO/CH4和CO/N2的吸附选择性也得到了显著提高,具有从混合气中吸附分离CO的潜在应用价值。  为了进一步拓展双溶剂法的应用,我们还选用了另外一种金属有机骨架材料MIL-100(Fe)作为一价铜的载体。再次采用双溶剂法将前驱体CuCl2直接引入MIL-100(Fe)孔道内,得到复合材料Cu(Ⅱ)@MIL-100(Fe)。利用载体MIL-100(Fe)中Fe能够发生价态转变,活性金属Cu(Ⅱ)与金属Fe(Ⅱ)之间自发产生的氧化还原作用,经过一步热处理过程得到Cu(Ⅰ),制得了吸附剂Cu(Ⅰ)@MIL-100(Fe)。这种方法显著降低了Cu(Ⅱ)还原为Cu(Ⅰ)的温度(真空条件下200℃,传统高温自还原法>700℃)。通过XRD和77 K氮气吸附等温线等一系列的表征手段,确定得到的吸附剂较好的保持了载体MIL-100(Fe)的晶体结构。本文还根据质谱实验数据探讨了还原机理。Cu(Ⅰ)@MIL-100(Fe)对于在25℃和1 atm下选择性吸附分离CO从CH4和N2中,展示了非常好的吸附性能。DL模型能很好地拟合纯组分吸附实验数据,结合IAST预测了各吸附剂对CO/CH4和CO/N2的吸附选择性。结果表明,通过双溶剂法引入Cu(Ⅱ)前驱体的样品的吸附容量和吸附选择性要优于通过浸渍法引入Cu(Ⅱ)前驱体。当铜负载量为4 mmol·g-1时,吸附剂Cu(Ⅰ)MFe-4的CO吸附容量达到最大(3.75 mmol·g-1),对CO/CH4和CO/N2的吸附选择性也得到了显著提高,具有从混合气中吸附分离CO的潜在应用价值。
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