金属有机骨架材料MIL-101(Cr)的改性及常压下吸附CO2的研究

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大量化石燃料的燃烧使大气中CO2的浓度不断增加,CO2的过量排放将加剧温室效应,导致全球平均气温逐渐升高,严重影响人类的正常生活。因此,高效捕集CO2是国内外研究的热门课题之一。金属有机骨架(Metal Organic Frameworks,MOFs)材料是一类拥有独特性能的新型多孔材料,因具有超大的比表面积、发达的孔隙结构、孔径尺寸可调等优点,使其在气体吸附分离方面有巨大的应用潜力。利用MOFs材料对CO2进行捕集和分离受到了各国研究者的广泛关注。本文选取了MOFs材料MIL-101(Cr)作为研究对象,通过对其进行氨基功能化改性,系统的研究了常温常压下材料改性前后对CO2的吸附性能,拓宽了该材料仅在较高压力下使用的范围,使其更接近实际应用。主要研究内容和结论如下:(1)采用溶剂热法将乙二胺(Ethylenediamine,ED)接枝MIL-101(Cr),合成了一种新型的吸附剂MIL-101-ED,并对其进行了XRD、N2吸附-脱附、红外等表征。在298 K及1.01×105 Pa条件下,测定了改性材料对CO2的吸附性能及CO2/N2吸附选择性,研究了ED接枝量及温度对材料结构、形貌和CO2吸附性能的影响。结果表明,ED改性的MIL-101(Cr)材料在常温常压下对CO2的吸附量可达2.43 mmol/g,比改性前提高了14.6%,CO2/N2的吸附分离系数从11提高至17,比改性前提高了55.6%。改性材料经80℃真空加热可完全脱附再生,具有良好的再生稳定性。(2)通过联用合成前和合成后改性的氨基功能化方法,首先掺杂不同量的2-氨基对苯二甲酸配体来合成MIL-101(Cr),得到了一系列不同配体掺杂量的改性材料NH2-MIL-101,利用XRD、N2吸附-脱附实验对其结构进行了表征。在298 K及1.01×105Pa条件下测定材料对CO2吸附等温线及单位比表面积对CO2的吸附等温线。结果表明,当2-氨基对苯二甲酸配体的掺杂量为75%时,NH2-MIL-101对CO2吸附量及单位比表面积对CO2的吸附量都相对较大。(3)为了进一步提高MIL-101(Cr)对CO2的吸附容量及吸附选择性,研究了用不同量的聚乙烯亚胺(Poly(ethylenimine),PEI)改性具有最佳配体掺杂量的材料NH2-MIL-101,并考察了其在常温常压下对CO2吸附性能的影响,测定了不同温度下改性材料对CO2的吸附等温线,以及其再生循环使用性能。研究结果表明,用PEI改性NH2-MIL-101在常温常压下可以大幅度提高材料对CO2的吸附容量及吸附选择性,其中,材料对CO2的吸附量从1.75 mmol/g提高到了2.78 mmol/g,提高了58.9%,CO2/N2选择分离系数也从改性前的13提高到了39,提高了两倍。在5℃0.1 MPa条件下,改性材料对CO2的吸附容量高达3.51 mmol/g。经5次吸-脱附,改性材料对CO2的吸附量依然与初始吸附水平一致,再生使用性能良好。
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