用于天然气中酸性组份脱除的新型金属－有机骨架膜分子设计与制备

Metal-organic frameworks (MOFs) are a novel class of porous functional materials. Due to the diversities of their structures and chemical properties, MOFs has been shown quite good separation performance, which make them very promising as the membrane materials for gas purification and separation in various fields including chemical engineering. At present, one problem in most of available theoretical studies is : the skeletons of MOFs are considered as rigid，neglecting the influence of their framework flexibility on the diffusivities of the guest molecules inside the pores, which thus deviates the true nature of MOF membranes. Aiming at such key issue for the design of MOF membranes, various advanced theories and computational methods will be combined with experiments in this project to study the removal of acid components (such as carbon dioxide and hydrogen sulfide) from natural gas, where the dynamic characters of MOF membranes in practical applications will be fully taken into account. This project will explore the cooperatively dynamic evolutions between the frameworks of MOF membranes and the guest molecules, and then reveal the influencing factors and the underlying mechanism in membrane separations from microscopic level. Based on the research results, the theoretical foundation will be built in this project for the optimal design of MOF membranes, and further will be verified by permeation experiments. This project is of advance and practicability, and could provide the fundamental theory supports for the technological development and reserve for MOFs applied in the field of membrane separation.

金属-有机骨架材料(MOFs)是一类新型多孔功能材料，其结构和化学多样性，使其具有很好的分离效果，有望作为膜材料用于化工等领域的气体净化与分离。目前，关于MOF膜分离方面的大多数理论研究存在的问题是：MOF材料的骨架被作为刚性结构处理，忽视了其骨架柔韧性对其孔道内客体分子扩散性质的影响，偏离了真实MOF膜材料。针对MOF膜设计的这一关键问题，本项目将采用多种现代理论与计算手段，充分考虑MOF膜在实际应用中的动力学特性，并结合实验研究，围绕天然气中二氧化碳与硫化氢等酸性气体脱除这一实际问题，考察MOF膜的骨架与客体分子之间的协同动力学演变行为，从微观层次上揭示膜分离过程的影响因素及潜在机理，建立MOF膜材料优化设计的理论依据，并采用渗透实验对理论研究结果进行验证。本研究在选题上具有前沿性和实用性，可为MOF材料在膜分离领域的技术开发与储备提基础理论支持。

天然气作为一种绿色洁净能源，其开发和利用越来越受到人们的重视。但是开采出来的天然气，除主要成份CH4外，常常混有CO2以及H2S等酸性气体，需对其进行有效脱除。膜分离技术是适应大规模产业发展的一种高新技术，其中一个关键在于功能膜材料的选择，其结构和性质直接影响最终脱除效果。当前在工业中得到广泛应用的为高分子膜，但是它们大多数都存在着通量与选择性相互制约的瓶颈，阻碍了它的发展。要对相关过程进行有效强化，高效分离材料的设计与创制为一重要研究方向。因此，选择和寻找具有优异性能的膜材料一直是膜分离领域的研究热点。在此重要需求背景下，本项目以近些年来出现的一类新型多孔材料，即金属–有机骨架材料（MOFs）为研究对象，主要从事纯MOF膜和MOF与聚合物复合膜在脱除酸性气体方面的理论研究，并基于获得的结构-性能之间的关系，进行高性能膜材料的分子设计和实验制备。通过对这些内容的深入研究，本项目基于提出的“吸附度”新概念和开发的电荷数据库，通过计算建立了描述MOF材料CO2分离性能的构效关系宏观模型，并在所提出的设计策略指导下，设计和合成了对CO2具有良好分离性能的新型MOF材料，相关成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.（2013, 52: 10316）期刊上，并发现基于该MOF的膜材料对CO2和H2S也具有良好的分离效果；同时也通过实验也制备了一些高性能膜材料，相关成果发表在AIChE J.（2016，DOI: 10.1002/aic.15508）、J. Membr. Sci.（2015, 478: 130）等期刊上。相关的理论研究工作也受到了国际同行的关注，并受邀在美国化学学会旗下的顶级期刊Chem. Rev.（2013, 52: 10316）上撰写综述，针对十几年来国际上围绕MOF材料所开发的各种理论计算方法，进行了较为全面且详细的介绍与评论。本项目的所取得研究成果，将能够为天然气净化领域中高性能膜材料的开发与储备，提供理论基础和技术支持，因而具有至关重要的科学意义和实际应用价值。