聚合物/钌纳米簇杂化中空纤维膜的制备及性能研究

摘要

费-托合成反应是指将合成气在催化剂的作用下转化为液体燃料及其他化学品的过程。其中，铁基催化剂和钴基催化剂较普遍地应用于工业生产，而钌基催化剂是在费-托合成中具有最高的催化活性、最强的链增长能力，主要应用于反应的理论研究。由于活性金属纳米簇容易发生团聚，因此寻找合适的催化剂载体以及负载方式至关重要。
　　本课题组一直从事聚酰亚胺材料的研究，并从2007年开始聚酰亚胺杂化材料的研究。本文选用聚酰亚胺（PI）和聚砜（PSF）为载体，并将钌纳米簇包埋其中，通过干-湿法纺丝，制备聚合物/钌纳米簇杂化中空纤维膜反应器，对其性能等进行表征、分析，并将其应用于费-托合成反应，一方面是期望通过将钌纳米簇包埋在载体中来提高催化剂的寿命，另一方面是期望通过改变合成聚合物的结构来调控H2和CO的透过率，以提高F-T合成产物的选择性。具体包括以下几个方面的内容：
　　1.以4,4′-(六氟亚异丙烯基)-邻苯二甲酸酐(6FDA)、3,3′,4,4′-二苯酮四羧酸二酐(BTDA)、3,3′,4,4′-联苯四羧酸二酐(BPDA)为二酐单体，4,4′-二氨基二苯醚(ODA)、联苯二胺(BDA)、4,4′-二氨基二苯甲烷(MDA)、3,3′-二甲基-4,4′-二氨基联苯(TDA)为二胺单体，通过传统的两步法经缩合聚合反应制备聚酰胺酸（PAA），再经热亚胺化得不同结构的PI膜。采用聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）为稳定剂和分散剂，正丁醇为溶剂和还原剂，通过化学还原法制备了平均粒子直径为1-2 nm的稳定的钌纳米簇。将钌纳米簇通过搅拌包埋在上述制得的PAA中，经热胺化后得PI/Ru纳米簇杂化膜。使用FT-IR、TEM、XPS、DSC、气体透过率仪等对PI膜和PI/Ru杂化膜进行了表征、分析。结果表明：钌纳米簇分散均匀，金属单质钌与聚酰亚胺载体中的O、N之间有着一定程度的配位作用,且PI/Ru杂化膜比未负载的PI膜在热性能、机械性能上均有提高,透气性能(H2和CO)略有下降。
　　2.以4,4′-二氨基二苯甲烷(MDA)为二胺单体，3,3′,4,4′-二苯酮四羧酸二酐(BTDA)为二酐单体，经缩合聚合反应制成PAA（15％wt）。将钌纳米簇（2%wt）包埋在PAA中，得PAA/Ru纺丝液，经干-湿法纺丝制备成PI/Ru杂化中空纤维膜，利用TGA、DSC、SEM、BET等对其进行表征、分析，并将其应用于费-托合成反应。结果表明：PI/Ru纳米簇杂化中空纤维膜的热性能良好，微观结构中有指状孔和大孔，相比PAA/Ru中空纤维膜，亚胺化后的PI/Ru中空纤维膜由于结构中脱水，孔结构参数变大且孔径集中分布变大。在费-托反应中，杂化纤维膜没有显示出一定的活性，并且纤维膜的强度需进一步提高，但用PI纤维粉末做反应的载体，在反应过程中表现出了一定的活性。
　　3.以高分子聚砜（PSF）为膜材料，将钌纳米簇包埋在PSF中，制备PSF/Ru纺丝液，经干-湿法纺丝制备成PSF和PSF/Ru杂化中空纤维膜，利用SEM、TEM、XRD、TGA、XPS等对其进行了表征、分析，并将其应用于费-托合成反应的探索研究。结果表明：金属单质钌与PSF载体中的O、S之间存在一定程度的配位作用，PSF/Ru杂化中空膜与纯PSF纤维膜相比，微观结构中所含的指状孔较多，且热性能提高，机械性能下降。PSF/Ru纳米簇杂化中空纤维膜和PSF/Ru-PVP(超声，浸渍)中空纤维膜通过管式反应器所进行的费-托合成反应，均表现出一定的活性。

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第一章 绪 论

1.1 膜催化反应器的概述

1. 2 高分子膜反应器简介

1.3 高分子膜催化反应器的用途

1.4 费-托合成反应

1.5 课题的选择与研究内容

第二章 聚酰亚胺/钌纳米簇杂化膜的制备与表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 聚酰亚胺/钌纳米簇杂化中空纤维膜的制备及在费-托合成中的探索

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 聚砜/钌纳米簇杂化中空纤维膜的制备表征及在费-托合成中的探索

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

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