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我国CO2减排压力巨大。钢铁行业是过程工业CO2排放大户，其中高炉煤气含有大量CO2，现有以燃烧发电为主的利用方式未能实现煤气碳氢资源高值利用，而且造成CO2的集中排放。开发高效低成本CO2分离技术是实现钢铁行业碳氢烟气资源高值利用的迫切需求。本文针对高炉煤气温度高、CO2浓度低、组成复杂的特点，以研发高温条件下具有高吸附量和高选择性的新型CO2吸附剂为目标，通过向金属有机骨架MIL-101以及MSU、白炭黑等硅基多孔材料中引入氨基来增强材料表面碱性，系统开展了吸附剂制备、孔道结构与表面基团表征、吸附性能评价等研究工作。主要研究内容和创新点如下:
(1)确定了MIL-101水热合成条件和提纯方法，通过多种表征手段证明合成产物具有MIL-101的特有结构。实验研究表明，不同的Cr配位基团影响Cr空位对CO2的吸附能力，羟基中的氢原子与CO2形成弱氢键作用，导致MIL-101-OH的吸附焓较大。通过考察不同气体的吸附等温线，发现低压下MIL-101对CO的吸附能力较强，难以实现CO2/CO体系中CO2的高效分离。
(2)首次制备了MIL-101负载有机胺吸附剂，考察有机胺种类和负载量对CO2吸附量的影响。结果表明，负载四乙烯五胺（Tetraethylenepentamine，TEPA）的CO2吸附效果最好，当负载量达到70％时，在75℃、CO2分压10kPa条件下，CO2吸附量达到了3.8mmol/g。对比不同气体的吸附等温线，发现吸附剂对CO和N2基本没有吸附作用，可以实现CO2、CO、N2体系中CO2的高选择性分离。开展了吸附剂再生研究，结果表明在145℃下CO2可以实现完全脱附;但TEPA高温条件下容易流失，随着循环次数增加，CO2吸附量呈现逐渐下降趋势。
(3)为改善吸附剂稳定性，首次制备了MIL-101嫁接TEPA吸附剂。光谱表征分析研究表明，TEPA通过与金属Cr不饱和空位发生配位反应连接到MIL-101上。实验研究表明，嫁接TEPA后，由于Cr不饱和空位被TEPA占据，CO吸附受到了明显抑制，CO2/CO选择性由1.77提高到70.2;循环实验表明吸附剂循环稳定性较好，多次循环后吸附量保持在1.2mmol/g左右。通过分子模拟计算，初步揭示了CO2与TEPA的作用机理为酸碱作用与弱氢键作用。
(4)首次制备了未煅烧MSU负载TEPA吸附剂，研究了模板剂对吸附性能的影响，发现模板剂的存在有利于提高CO2吸附量，同时可以降低CO2的脱附温度。实验研究表明，当TEPA负载量为50％时，具有最佳的CO2吸附效果，在75℃，10kPa条件下可达到3.87mmol/g。吸附剂对CO和N2基本不吸附，CO2选择性高。考察了温度、压力对CO2吸附量的影响，表明最佳吸附温度为75℃，压力对CO2吸附量影响较小;探索了吸附剂的再生条件，结果表明吸附剂在100℃吹扫1小时即可完成再生，适合应用于变温吸附过程。通过红外光谱分析发现，吸附剂通过TEPA和CO2反应生成氨基甲酸铵的形式来捕获CO2。