CO2配位吸附功能纤维的设计、制备与性能研究

The CO2 capture and separation technology has great significance to alleviate green-house effect, enhance the utilization efficiency of nature gas and human health. However, it is difficult to combine outstanding adsorption performance, suitable regeneration energy and excellent stability. This project aims to prepare coordination adsorption fiber loading metal ions through ion exchange or coordination for CO2 capture based on the direct or insert coordination effect with metal ions. The coordination modes and ability with CO2 of the fiber can be controlled by the design of functional group structure, loading different metal ions and coating MOFs, realizing the precise regulation of CO2 adsorption heat through the investigation and revelation of the influence mechanism of direct coordination, insert coordination and their synergistic effect on the CO2 adsorption heat. The intrinsic relation between CO2 adsorption heat and adsorption capacity, selectivity, desorption heat, regeneration conditions, and stability will be established, which is very important for the optimization of adsorption performance, regeneration energy and stability, and conduct the preparation of CO2 adsorption material with outstanding adsorption performance, suitable regeneration energy and excellent stability. This project provides a novel route to prepare coordination adsorption material for CO2 capture, lay a foundation for the design of efficient adsorption material for CO2 capture. In addition, the achievement of this project will helpful for the separation and purification of other gas with capability of coordination, such as SO2, H2S, thiophene etc, and conducts the design and preparation of relevant adsorption materials.

CO2捕集与分离技术对温室效应减缓、天然气高效利用和人体健康等具有重要意义。针对目前吸附性能、再生能耗和稳定性难以兼顾的问题，本项目拟以基于静电或配位作用负载金属离子的功能纤维为吸附剂，利用金属离子与CO2的直接配位或插入配位作用吸附CO2；通过纤维官能团结构设计、负载不同金属离子和MOFs包覆改变纤维与CO2的配位形式和能力，研究并揭示直接配位和插入配位作用及两者协同效应对CO2吸附热的影响机制，实现CO2吸附热的准确调控；建立CO2吸附热与吸附量、选择性、脱附热、再生条件和稳定性的内在关系，实现吸附性能、再生能耗和循环使用稳定性的优化，获得能耗适中、吸附性能优异、使用寿命长久的CO2吸附材料。本项目的研究成果提供一种新型CO2配位吸附材料，为设计高效CO2吸附剂提供理论依据，也有望为SO2、H2S、噻吩等其它具有配位能力气体的分离和纯化提供理论参考，最终用于指导吸附材料的设计与制备。

二氧化碳的高效捕集与分离对我国实现“双碳”目标具有重要意义，固体吸附法是二氧化碳吸附分离的主要手段，针对目前固体吸附剂吸附性能、再生能耗和稳定性难以兼顾的问题，本项目以与金属离子有静电或配位作用的离子交换纤维和多孔聚合物为固体吸附剂，研究金属离子对吸附剂二氧化碳吸附性能的影响机制，通过改变金属离子的种类以及与吸附剂的作用方式，调控吸附剂与二氧化碳之间的作用力，从而优化吸附剂的二氧化碳吸附和脱附性能。首先以离子交换纤维为基体，通过金属离子负载和MOFs包覆改变功能纤维与二氧化碳的作用方式，从而调控功能纤维的二氧化碳吸附热，研究表明负载金属离子和包覆MOFs后，功能纤维对二氧化碳的吸附从原来的化学吸附逐渐转变为直接配位吸附和插入配位吸附，其中化学吸附的吸附热最高，直接配位吸附的吸附热最低，通过调控三者的比例可以实现功能纤维二氧化碳吸附热的准确调控。进一步以具有较高比表面积的多孔聚合物为载体，通过不同配位吸附方式负载金属离子，同样证明金属离子对多孔聚合物的二氧化碳吸附性能具有显著的调控作用，其中镁离子的效果最好。最后通过动态柱吸附实验验证所制备吸附才的实用性。在项目的支持下，在Advanced Materials，Advanced Science，Advanced Energy Materials等国内外期刊发表论文19篇，其中中科院1区10篇，申请发明专利4项，已授权2项，指导培养研究生14名（毕业6名）。