金属有机骨架材料在CO2/CH4分离体系中的工业应用初探

As a revolutionary porous material, metal-organic frameworks have attracted tremendous attention in the last two decades. However, until now, they still remain in the laboratory, no successful application in the industry has been claimed. To figure out the reasons, three pre-requirements for industrial application are usually neglected by the researchers: 1. green and inexpensive large-scale preparation methods; 2. simple and efficient shaping processes; 3. hydrothermal stability. To try to realize the industrial application of MOFs in CO2/CH4 separation, this project will carry out a systematic investigation on the three pre-requirements of MOFs. By means of the "two-step" and whisker-reinforced process, we will explore the possibility of large-scale preparation and shaping techniques. By studying the interaction mechanism between MOFs and H2O/H+, we will focus on revealing the essential reason for the poor hydrothermal stability of MOFs. Based on these, we propose to trigger the reversible structural transformation of MOFs by the hydrothermal instability, which will realize the regeneration of MOFs and improve the lifetime of MOFs during the practical applications. Besides, we will try to control and manipulate the process of reversible structural transformation to design and prepare functional MOFs.

金属有机骨架材料作为一个革命性的多孔材料，经过二十几年的发展，其工业化进程推动缓慢。究其原因，主要存在三方面难题：1、缺乏绿色、廉价的规模化制备方法；2、缺少简单、高效的成型工艺；3、水热稳定性差。本项目以CO2/CH4的分离为应用对象，拟针对MOFs工业应用过程中的瓶颈问题，开展系统的应用基础研究。通过 “两步”法，晶须增强等方法对规模化制备方法和成型工艺进行初步探索。重点探索MOF材料与H2O、H+的相互作用机制，揭示MOF材料水稳定差的根本原因。同时，针对MOFs水稳定性差的特点，通过研究MOF材料结构的可逆转变，实现MOF材料的再生，提高其循环使用寿命。进而对MOF材料结构的可逆转变进行调控，实现多种功能性材料的可控制备。

金属有机骨架材料（metal organic frameworks, MOFs）自问世以来，几乎打破了所有多孔材料比表面积和气体储存容量的记录，在学术界和工业界引起了巨大的轰动。然而经过近30年的发展其工业化应用的进程仍旧较为缓慢。本项目针对 MOFs工业应用所需要满足的一些基本条件，围绕MOFs规模化制备、成型结构设计、稳定性调控、新型功能性材料开发四个方面开展了系统的研究。通过开发片段组装法，在常温常压下合成低维度的MOFs材料，再通过去质子溶剂蒸汽转变为MOFs晶体，开发了绿色、低成本、规模化MOFs制备技术，实现了公斤级MOFs材料的制备。通过结合有机、无机粘结剂，优化成型配方，在保证MOFs比表面积的同时，实现了MOFs棒状等高强度、高性能成型载体的制备。通过揭示MOFs与极性分子的相互作用机制，利用极性分子诱导Cu-MOFs的可逆结构转变，实现了MOFs材料的循环稳定。通过MOFs与功能分子复合机制的研究，构筑了“大孔在外，小孔在内”有序多级孔结构MOFs和系列具有多级复杂结构的MOFs衍生高效催化材料。本项目的开展，为推进MOFs工程化应用和相关MOFs高附加值产品的开发提供了技术支持和理论支撑。