提高CO2吸附捕集能力的新方法研究

In this project a novel method for CO2 capture is proposed. The basic idea is to combine the confinement effect and the cage effect for enhancing CO2 capture ability. To realize this, we plan to form hydrate in metal-organic framework (MOF) for separation of CO2 from flue gas and refinery gas as an example. A combined quantum calculation, molecular simulation, and experimental study will be carried out in this project. The main research contents are: (1) establishing a force field for describing the system studied in this project, carrying out the molecular simulation studies for CO2 adsorption separation in MOFs, and choosing MOFs with good ability for CO2 separation; (2) forming hydrates in the chosen MOFs and carrying out the experimental study for CO2 separation from flue gas and refinery gas in MOFs with formed hydrate; (3) carrying out the corresponding molecular simulation study and choosing the good hydrate@MOFs for CO2 separation; and (4) based on molecular simulation results, synthesizing the corresponding hydrate@MOFs with promising ability for CO2 separation and evaluating their abilities by experiments. The knowledge obtained is expected to reveal the influence of material structure on the structure and properties of the confined fluid from microscopic level and accelerate the development of appropriate technology and process for CO2 capture from flue gas and refinery gas.

碳减排系当前研究热点。本项目提出将限域效应与笼子效应相结合提高CO2捕获能力的学术思想，通过在金属-有机骨架材料(MOF)中生成水合物来实现该想法，捕集分离烟道气和炼厂气中的CO2。拟采用量化计算、分子模拟及实验相结合的手段进行研究。主要研究内容有：（1）建立适用于描述烟道气和炼厂气典型组分与MOF材料作用的通用力场、进行单纯吸附分离CO2的分子模拟研究、优选MOF材料；（2）利用优选的MOF材料，进行MOF-水合物复合体系吸附捕集CO2的实验研究；（3）与实验研究互动，进行复合体系分子模拟研究，优选复合效果优异的MOF材料；(4)具有优异CO2吸附捕集能力的MOF-水合物复合体系的实验合成与评价。研究结果将从微观层次揭示材料结构对受限流体结构与性质的影响规律，获得提高MOF材料使用效果的新途径，形成分离捕集CO2的新技术和工艺。预期发表SCI收录论文8 篇以上。

二氧化碳为主的温室气体减排是世界各国面临的共同挑战。随着化石燃料燃烧供能需求量不断增大以及国内外对环境问题的高度关注，对高效二氧化碳捕集分离技术的需求日益迫切。金属-有机骨架材料（metal-organic framework, MOFs）由于具有比表面积大、功能性与可设计性强及种类多等特点，从其产生至今已引起了广泛的关注。已有研究结果表明，一些MOF 材料有望用于高效吸附捕集分离CO2。但是固态多孔材料用于气体分离时存在不能进行连续分离，只能进行多床切换操作，不利于热集成等问题。目前针对MOF的研究多为新材料合成与表征，而对于如何提高现有MOF 材料吸附分离性能、提升其实际应用价值，即针对如何用好已有MOF 材料的研究比较缺乏。. 本项目首先采用分子模拟方法，计算了多种MOFs材料分离CO2/CH4, CO2/N2, 及CO2/H2等气体混合物的吸附选择性、扩散选择性和渗透选择性；其次开展了MOF-水复合体系捕集CO2的实验研究；并且开展了吸收-水合分离气体混合物的实验研究；此外采用实验结合分子模拟手段，系统研究了MOFs与溶剂混合形成的浆液体系捕集CO2的能力。所取得的主要发现如下：.(1) 分子模拟结果表明MOF材料的嵌套结构不仅可提高材料的吸附选择性，还可显著提高其渗透选择性。.(2) MOF(ZIF-8、ZIF-67)和水混合形成的浆液对CO2/N2和CO2/CH4的分离能力随着使用次数的增加快速降低。MOF的结构在分离过程中发生了不可逆变化，阻碍了吸附-水合分离的有效耦合。.(3) 采用吸收-水合耦合的方法可以大幅提高体系的分离因子，表明吸收和水合可产生协同增强分离的效应。.(4) 提出了实现吸收-吸附耦合分离的基本要素及增强协同分离效应的方法。利用MOF(ZIF-8或ZIF-67)/乙二醇-2-甲基咪唑浆液实现了高效、低耗捕集分离CO2。如ZIF-8形成的浆液吸收CO2常压下达到1.25 mol/L, 表观解吸热只有29 KJ/mol, 浆液具有很好的再生性能。 CO2/H2, CO2/N2, CO2/CH4分离因子高达951, 394, 144, 而且能在很宽广的压力范围内保持高的分离因子。. 研究结果表明, 人们除了通过开发新材料来提高吸附分离效率外, 也可通过现有材料应用工艺上的创新来实现这一目标, 而且代价可能更低。