金属有机骨架材料MIl-101(Cr)的改性及常压下吸附CO2的研究

摘要

大量化石燃料的燃烧使大气中CO2的浓度不断增加，CO2的过量排放将加剧温室效应，导致全球平均气温逐渐升高，严重影响人类的正常生活。因此，高效捕集CO2是国内外研究的热门课题之一。金属有机骨架（Metal Organic Frameworks，MOFs）材料是一类拥有独特性能的新型多孔材料，因具有超大的比表面积、发达的孔隙结构、孔径尺寸可调等优点，使其在气体吸附分离方面有巨大的应用潜力。利用MOFs材料对CO2进行捕集和分离受到了各国研究者的广泛关注。本文选取了MOFs材料MIL-101(Cr)作为研究对象，通过对其进行氨基功能化改性，系统的研究了常温常压下材料改性前后对CO2的吸附性能，拓宽了该材料仅在较高压力下使用的范围，使其更接近实际应用。主要研究内容和结论如下:
　　(1)采用溶剂热法将乙二胺(Ethylenediamine，ED)接枝MIL-101(Cr)，合成了一种新型的吸附剂MIL-101-ED，并对其进行了XRD、N2吸附-脱附、红外等表征。在298 K及1.01×105 Pa条件下，测定了改性材料对CO2的吸附性能及CO2/N2吸附选择性，研究了ED接枝量及温度对材料结构、形貌和CO2吸附性能的影响。结果表明，ED改性的MIL-101(Cr)材料在常温常压下对CO2的吸附量可达2.43 mmol/g，比改性前提高了14.6％，CO2/N2的吸附分离系数从11提高至17，比改性前提高了55.6％。改性材料经80℃真空加热可完全脱附再生，具有良好的再生稳定性。
　　(2)通过联用合成前和合成后改性的氨基功能化方法，首先掺杂不同量的2-氨基对苯二甲酸配体来合成MIL-101(Cr)，得到了一系列不同配体掺杂量的改性材料NH2-MIL-101，利用XRD、N2吸附-脱附实验对其结构进行了表征。在298 K及1.01×105Pa条件下测定材料对CO2吸附等温线及单位比表面积对CO2的吸附等温线。结果表明，当2-氨基对苯二甲酸配体的掺杂量为75％时，NH2-MIL-101对CO2吸附量及单位比表面积对CO2的吸附量都相对较大。
　　(3)为了进一步提高MIL-101(Cr)对CO2的吸附容量及吸附选择性，研究了用不同量的聚乙烯亚胺(Poly(ethylenimine)，PEI)改性具有最佳配体掺杂量的材料NH2-MIL-101，并考察了其在常温常压下对CO2吸附性能的影响，测定了不同温度下改性材料对CO2的吸附等温线，以及其再生循环使用性能。研究结果表明，用PEI改性NH2-MIL-101在常温常压下可以大幅度提高材料对CO2的吸附容量及吸附选择性，其中，材料对CO2的吸附量从1.75 mmol/g提高到了2.78 mmol/g，提高了58.9％，CO2/N2选择分离系数也从改性前的13提高到了39，提高了两倍。在5℃0.1 MPa条件下，改性材料对CO2的吸附容量高达3.51 mmol/g。经5次吸-脱附，改性材料对CO2的吸附量依然与初始吸附水平一致，再生使用性能良好。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 二氧化碳的主要来源及其对环境造成的影响

1．1．2 二氧化碳捕集的意义与方法

1．1．3 二氧化碳吸附材料概述

1．2 金属有机骨架材料简介

1．2．1 MOFs的特点与分类

1．2．2 MOFs的合成方法

1．2．3 MOFs的应用

1．3 金属有机骨架材料在气体吸附分离及储存方面的研究概况

1．3．1 MOFs在CO2吸附分离方面的研究

1．3．2 MOFs在H2吸附储存方面的研究

1．3．3 MOFs在CH4吸附储存方面的研究

1．3．4 MOFs在其他气体吸附分离方面的研究

1．4 本课题的选题背景和研究内容

第二章 氨基改性MIL-101(Cr)的合成和研究方法

2．1 氨基改性MIL-101(Cr)材料的合成

2．1．1 实验材料和试剂

2．1．2 实验设备和分析仪器

2．1．3 具体合成步骤

2．2 材料的表征与性能测试

2．2．1 X射线衍射分析

2．2．2 N2吸附-脱附分析

2．2．3 扫描电镜分析

2．2．4 红外光谱分析

2．2．5 热重分析

2．2．6 CO2吸附等温线测试

2．2．7 改性材料的再生性能测试

第三章 乙二胺改性MIL-101(Cr)的表征及常压下CO2吸附性能的研究

3．1 引言

3．2 材料的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 X射线衍射分析

3．3．2 N2吸附-脱附分析

3．3．3 扫描电镜分析

3．3．4 红外光谱分析

3．3．5 热重分析

3．3．6 CO2吸附等温线

3．3．7 温度对改性材料吸附CO2的影响及等量吸附热计算

3．3．8 CO2／N2的吸附选择性

3．3．9 改性材料的再生

3．4 结论

第四章 聚乙烯亚胺和掺杂配体改性MIL-101(Cr)的合成及常压下吸附CO2性能研究

4．1 引言

4．2 材料的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 X射线衍射分析

4．3．2 N2吸附-脱附分析

4．3．3 扫描电镜分析

4．3．4 红外光谱分析

4．3．5 热重分析

4．3．6 CO2吸附等温线

4．3．7 温度对改性材料吸附CO2的影响及等量吸附热计算

4．3．8 CO2／N2的吸附选择性

4．3．9 改性材料的再生

4．4 结论

第五章 结论与展望

5．1 本文结论

5．2 本文的创新点

5．3 展望

参考文献

致谢

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