新型憎水性金属有机骨架材料制备及其对CO2/H2O/N2/O2吸附相平衡动力学

针对二氧化碳减排和捕获的社会需求，项目主要研究新型憎水性吸附CO2的金属有机骨架材料（MOFs）及其对CO2、H2O、N2和O2吸附。从吸附材料理论的层面上，研究和揭示MOFs材料的组成、结构和表面化学与其水热稳定性和表面憎水性关系；在表面科学和分离科学层面，研究CO2、H2O、N2和O2在新型憎水性材料上的竞争吸附机理，研究MOFs材料孔隙尺寸和表面化学性质的协同作用对其吸附选择性和动力学影响规律；在吸附材料制备技术层面上，研制能制备水热稳定性强、高CO2吸附容量的新型憎水性MOFs材料的关键合成工艺和表面改性技术，研究应用后合成法、微波辐射法等对MOFs材料进行表面改性修饰，增强其憎水性和对CO2的吸附。以新型憎水性MOFs吸附材料为核心，研究高湿度环境下吸附分离捕获CO2过程。项目成果将为解决吸附分离捕获CO2这一难题提供新的理论和技术基础，项目研究具有重要的科学研究价值和实际意义。

针对二氧化碳减排和捕获的重大需求，项目主要研究适用于实际存在水蒸气的工况条件下吸附分离CO2的新型MOFs及其复合材料。在理论的层面上，阐明了MOFs及其复合材料的结构和表面化学与其对CO2、CH4, N2和H2O水蒸气吸附容量和选择性的关系；在表面科学和分离科学层面，研究CO2、H2O、N2和O2在新型憎水性材料上的竞争吸附机理，研究MOFs复合材料表面化学性质对水蒸气影响CO2吸附的负面和正面作用机制，构建了材料表面化学与水蒸气协同作用促进CO2吸附机制。在吸附材料制备技术层面上，研制能制备水热稳定性好、高CO2吸附容量的新型MOFs复合材料的关键合成工艺和表面改性技术。所研制出的GrO@MIL-101复合材料是目前国际上在25大气压条件下对CO2吸附容量最大的MOFs材料之一；所研制出的新型氧化石墨烯/Cu-BTC复合材料（GrO@Cu-BTC，国家发明专利 ZL 201310390975.5）在常压下对CO2吸附容量高达8.19 mmol/g，是目前国际上在一个大气压条件下对CO2吸附容量最大的材料之一。发现并揭示了水蒸气吸附增强MIL-100(Fe) 吸附CO2的作用机理。证实吸附在MIL-100(Fe)表面的水被解离而产生了含OH的表面，形成了新的碱性吸附位，增强了对酸性分子CO2的吸附和选择性。原位红外的分析结果也证明，水蒸气的存在会增强MIL-100(Fe)对CO2的吸附，而削弱MIL-101(Cr)对CO2的吸附，水蒸气的存在大大促进MIL-100(Fe)对CO2的工作吸附容量和选择性分别提高了150% 和200%；研制出新的PEI@ZIF-8，构建了水蒸气与PEI协同作用促进对CO2的吸附和选择性机制，证实水蒸气存在大幅度提高45PEI@ZIF-8吸附CO2的能力，其对CO2/N2选择性提高到89；发明了一种采取纸浆纤维对MOF材料进行成型方法，所研制的柔性片状MIL-101(Cr)@PFs复合材料可人工弯曲360度，并具有优良的CO2和VOCs吸附性能。机械振动测试显示：在4Hz振动条件下，MIL-101(Cr)@PF的质量几乎没有变化，有优良的抗震性能。项目成果将为解决在实际工况条件下，尤其是水蒸气普遍存在的排放气中吸附分离捕获CO2这一难题提供新的理论和技术基础，项目研究具有重要的科学研究价值和实际意义。