功能修饰金属有机框架的合成、热力学和CO2吸附性能研究

Metal-organic frameworks (MOFs) have emerged as a novel class of porous materials with special pore structure, large specific surface areas and extensive organic linkers. Aiming at three crucial issues in adsorption aspect of carbon dioxide on MOFs, this project firstly has put forward a new idea of combining theoretical calculation and thermodynamics, and modifying MOFs with functional groups to improve the comprehensive performance of MOFs as carbon dioxide adsorbent by adjusting the force between MOFs and carbon dioxide. Calorimetry and isotherm adsorption method are used to investigate the characteristics of thermodynamics and kinetics during the gas adsorption process. The project will mainly focus on research of interactive relationship among composition, structure, heat capacity, heat of adsorption and capacity of adsorption on MOFs. We try to clarify the following issues: (1) factors affecting the thermodynamics of MOFs and their mechanism of action; (2) internal connections between thermodynamics and gas storage capacity of MOFs; (3) methods of improving thermodynamic properties and enhancing the comprehensive performance of carbon dioxide adsorption of MOFs. At the same time, the important basic thermodynamic data and gas storage performance of MOFs will be obtained for the subsequent application of MOFs. The project will be helpful for the thorough understanding of carbon dioxide adsorption mechanism and decorated functional groups effect on MOFs.

金属有机框架（MOFs）是一类新型多孔材料，其具有孔道结构特殊、比表面积大和配体选择范围广等特点。本项目针对金属有机框架材料作为CO2吸附剂方面存在的三个关键问题，依据前期实验结果和研究基础，首次提出理论计算和热力学研究相结合，通过功能修饰的方法，调变MOFs材料与CO2的作用力，提高MOFs作为CO2吸附剂的综合性能。利用量热学方法和等温吸附方法表征MOFs材料的热力学和动力学特征，侧重于MOFs材料的组成、结构、热容、吸附热和吸附量的内在关系研究，力求阐明：（1）MOFs材料的热力学性质的影响因素及其作用规律；（2）MOFs材料的热力学性质和气体吸附性能之间的内在联系；（3）改善MOFs材料的热力学性质，提高其二氧化碳吸附综合性能的方法。同时，获取重要的基础数据和信息，为MOFs的后续应用研究奠定基础。本项目研究对于深入认识MOFs的CO2吸附机理及功能修饰作用具有普遍的指导意义。

二氧化碳被认为是引起全球变暖最主要的温室气体，如何捕获和分离二氧化碳是当前科学研究的前沿，也是工业应用急需解决的问题。金属有机框架材料（MOFs）具有孔道结构特殊、比表面积大、配体选择范围广、功能可调等特点。本项目围绕功能修饰金属有机框架材料（MOFs）的合成、热力学和二氧化碳吸附性能开展研究工作。主要完成了五个系列二十种MOFs材料的研究工作，包括四种功能修饰CAU-10-X系列MOFs材料、五种功能修饰的Al-MIL-53系列MOFs材料、两种功能修饰CAU-1-X系列MOFs材料、五种功能修饰UIO-66-X系列MOFs材料和四种不同金属M-MOF-74系列MOFs材料。通过综合分析比表面积、二氧化碳吸附量、吸附热和热容数据，阐明了MOFs 材料的组成、结构、热容、吸附热和吸附量的内在关系。本项目研究结果表明：通过功能化修饰，可以提高MOFs材料的二氧化碳吸附热和调节MOFs材料的热容。本项目取得成果将为MOFs材料在二氧化碳捕获和分离领域的进一步应用提供重要的基础科学数据和指导信息。