具有动态CO2吸附行为的金属-有机框架的构筑及其吸附性能调控

The effective capture and separation of CO2 has become one of the most important goals in the CCS (Carbon Capture and Storage) progress. The physical sorption of CO2 using porous adsorbents has shown many advances over other technologies. As an emerging class of adsorbent materials, dynamic metal-organic frameworks (MOF) have shown great potential in the CCS progress for their unusual sorption behavior and excellent separation performance. However, there are only few examples of dynamic MOFs reported for CO2 sorption, especially around the room temperature. In this study, we aim to construct dynamic MOFs featuring polycatenated networks and then study their dynamic CO2 sorption behavior, and further change their functional units to study the structure-property relationship. The main research contents could be divide into three parts: Firstly, construction of MOFs with polycatenated nets. Secondly, study of the relationship between the functional units and the dynamic sorption behaviors. Finally, the in-situ techniques and computer simulation will be used to deeply understand the detailed mechanism of dynamic sorption and the structure-property relationship.

如何实现常温条件下高效高选择性的CO2气体的储存与分离是当今CCS（碳捕获与封存）研究领域的重要目标之一。采用吸附剂的物理吸附法因其自身所具备的独特优势成为CCS首选的技术之一。作为一种新型的固体吸附剂材料，动态金属-有机框架材料因其特殊的“门效应”吸附行为和优异的气体分离能力在CCS领域表现出了良好的应用前景，然而成功实现在常温条件下CO2动态吸附的例子非常有限。针对这一现状，本项目拟开展动态金属-有机框架材料的设计、合成及常温条件下的动态CO2吸附行为研究。主要研究内容包括：1）具有多聚索套结构的金属-有机框架的构筑；2）功能基元的调控与动态吸附行为的研究；3）利用原位检测与计算机模拟等手段来探讨动态吸附行为的机理和材料功能基元-动态吸附行为之间的构效关系。

CO2的过量排放是导致全球气候变暖以及海水酸化的主要原因，发展合适的CO2捕获与封装技术是解决上述问题的主要途径之一。具有动态吸附行为的金属-有机框架材料因其独特的分步吸附与脱附滞后的吸脱附行为在气体的选择性分离方面有着广泛的应用前景。本项目主要采用混合配体策略、柔性配体策略以及双官能团配体策略来构筑具有动态吸附行为的金属-有机框架材料，选择不同的金属节点、配位溶剂以及含有不同官能团的有机配体为构筑基元，结合巨正则系综蒙特卡罗模拟计算方法以及密度泛函理论，从实验与理论两个方面研究功能基元的变化对于动态金属-有机框架的结构热稳定性、水热稳定性、气体吸附行为及选择性分离能力的影响，重点探究结构基元的微调对于吸附突越压力点及分离性能的调控，阐明结构与性能之间的关系，为具有动态吸附行为的金属-有机框架材料的构筑提供理论上的可预见性及实验上的可设计性。依托本项目，发表了SCI论文20篇，其中J. Mater. Chem. A 1篇，J. Mater. Chem. C 1篇（ESI高被引），ACS Appl. Mater. Interfaces 1篇，Sensors Actuators, B Chem 1篇，Inorg. Chem 5篇，CrystEngComm 2篇，Polyhedron 2篇，Journal of Solid State Chemistry 1篇，Inorganic Chemistry Communications 5篇以及Journal of Cluster Science 1篇，授权发明专利一项。