MOFs材料原位吸附二氧化碳的机理研究

As an emerging porous nano materials in recent years, metal organic frameworks (MOFs) have attracted much attention for its advantages, such as large surface area, easy desorption and reusable property. Especially for Cu-BTC, a kind of MOFs materials, it may get larger adsorption capacity of CO2 and more interest for many researchers because of the Cu-O bond with a larger binding energies. However, the correlation between struture research and capture mechanism for Cu-MOFs materials are still not clear. The development of higher performance materials are limited. In this project, we plan to prepare MOFs materials under different conditions and systematically study Cu-BTC materials based on x-ray absorption fine structure, combined with other conventional characterization methods in order to study the electronic structure, atomic local structure and coordination structure. The correlation between synthesis process, adsorption capacity and local structure of MOFs were studied to provide application guide for designing and synthesis of MOFs material with higher CO2 adsorption capacity by this project.

金属有机骨架(MOFs)作为近年来新兴的纳米多孔材料，由于比表面积大，易于解吸，可重复利用，目前受到广泛关注。尤其以Cu基为代表的MOFs材料，因其Cu-O键具有较大的结合能，因此可能获得较大的CO2吸附能力，更引起众多研究者的兴趣。然而对于Cu基MOFs材料的结构研究和吸附机理之间的关联尚不清晰，从而限制了更高性能材料的开发。本项目通过合成不同条件下的MOFs材料，利用低温原位X射线吸收谱（XAFS）测量方法，结合其它常规表征手段，对真实吸附条件下的Cu基MOFs材料展开研究，探索材料中过渡金属元素的电子结构、原子局域结构、配位结构信息，建立MOFs的合成工艺、吸附能力与体系局域原子、电子结构的关联，为设计合成高效CO2捕获能力的MOFs材料提供应用指向。

CO2已对地球环境造成一定危害，CO2捕集与封存技术备受关注。金属有机骨架(MOFs)材料是是未来能源环境领域发展的一个重要方向，然而从目前研究来看，MOFs材料对温室气体捕获的机理尚不清晰，尤其是吸附前后MOFs有机链金属原子的配位、价态等结构信息的研究尚未展开，无法从微观领域上揭示吸附反应机理，获得最大吸附量。因此本项目对三个典型的商业MOFs材料Cu-BTC 、Fe-BTC和ZIF-8在常温常压下对CO2的吸附性能进行了比较。并通过多种技术表征研究吸附过程中材料的结构变化。X射线衍射（XRD），扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）结果表明MOFs的主体结构在不同的条件（未处理，活化后，CO2吸附后和CO2脱附后）实验中非常稳定。通过X射线精细结构谱学（XAFS）表征技术对待测样品的数据分析，可以推断，活化后/CO2吸附/CO2脱附等条件下的样品和未处理过的样品的电子分布和局部结构几乎不变。这表明这三种MOFs材料对CO2的吸附主要是物理吸附。另一方面, 我们也发现只有Cu-BTC材料在活化过程（13.3 kPa，473 K，12 h）中有部分水的去除，而这属于化学变化，从而导致了样品结构的变化。