新型金属有机气凝胶的合成、 表征及气体吸附性能

利用高稳定性的UiO-66系列金属有机骨架多孔材料制备金属有机气凝胶材料, 制得的UiO-66系列金属有机气凝胶材料具有多级孔结构和较高的比表面积, 在气体吸附分离领域具有较大应用潜力. 气体吸附实验结果表明, UiO-66-NH₂金属有机气凝胶材料具有极佳的CO₂吸附性能和CO₂/CH₄分离性能, 通过理想吸附溶液理论计算得出其吸附选择性高达18.3.     

新型类沸石金属-有机骨架材料用于天然气中CO2的分离

研究了在usf型类沸石金属-有机骨架材料(usf-ZMOF)中不同金属离子(Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Al³⁺)对天然气分离(以CO₂/CH₄, CO₂/H₂, CO₂/N₂为研究对象)的不同影响. 结果表明, 此类材料对于3种体系的分离选择性均高于现有材料. 其中性能最好的是Al-usf-ZMOF, 其对CO₂/CH₄, CO₂/N₂和CO₂/H₂的分离选择性分别为290, 1700和16800. 同时, 对于经不同的离子交换后的usf-ZMOF, 吸附选择性随着离子电荷值的增加而增大; 对于同一主族的离子, 选择性随着原子序数的增加而减小. 而上述现象的产生是由阳离子和CO₂间的强静电作用所致.     

互穿结构及混合配体对金属-有机骨架材料分离性能的影响

在以前的工作中, 我们利用蒙特卡洛和分子动力学模拟计算了具有互穿性结构及混合配体的金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs)分离CH₄/H₂的吸附选择性及扩散选择性. 研究了材料的互穿结构及混合配体对材料用于分离CH₄/H₂性能的影响. 在本工作中, 我们将以前的工作进行了扩展, 详细研究了材料的互穿结构及混合配体对材料用于分离CO₂/CH₄, CO₂/N₂和CO₂/H₂等含有CO₂的气体混合物性能的影响. 此外, 为了进一步阐明材料的结构对于其分离性能的影响, 我们亦研究了材料用于分离CH₄/H₂及CH₄/N₂. 从我们的结果可以看出, 相比无互穿结构的MOFs材料, 具有互穿结构的MOFs材料对所研究的所有混合气体的渗透选择性明显提高. 这是因为具有互穿结构的MOFs材料对混合气体的吸附选择性明显高于无互穿结构的MOFs材料. 结果表明, 如果将材料作为膜用于气体混合物分离, 使材料产生互穿结构是提高材料分离性能的一个很好的策略.     

磷钼钨杂多酸修饰金属有机骨架MOF-5复合材料吸附亚甲基蓝

采用水热合成法,在合成金属有机骨架MOF-5的过程中引入活性组分磷钼钨杂多酸(H₆P₂Mo₁₅W₃O₆₂),制备出一种新型吸附剂H₆P₂Mo₁₅W₃O₆₂/MOF-5。 利用H₆P₂Mo₁₅W₃O₆₂/MOF-5材料对亚甲基蓝溶液进行了材料的吸附性能研究,探讨了亚甲基蓝溶液的初始pH值和初始浓度以及不同吸附温度对吸附量的影响。 结果表明,在较低的温度和亚甲基蓝溶液较低的初始pH值的条件下,有利于H₆P₂Mo₁₅W₃O₆₂/MOF-5对亚甲基蓝的吸附。 实验结果能够较好地符合Langmuir吸附等温式以及二级动力学模型,对亚甲基蓝的最大吸附量可达401.6 mg/g。 热力学参数ΔG<0、ΔH<0和ΔS>0,表明H₆P₂Mo₁₅W₃O₆₂/MOF-5对亚甲基蓝的吸附过程是自发、放热的。 此外,还探讨了H₆P₂Mo₁₅W₃O₆₂/MOF-5对甲基紫、孔雀石绿、罗丹明B和甲基橙等其它染料的吸附性能,结果表明,H₆P₂Mo₁₅W₃O₆₂/MOF-5对阳离子染料有较好的吸附效果。     

石墨烯量子点/铁基金属-有机骨架复合材料高效光催化二氧化碳还原※

利用可见光将二氧化碳光还原为有用的化学品是一项有前景但充满挑战的工作. 金属有机骨架(MOFs)作为一种新兴的具高孔隙率、高比表面积、强吸附富集CO₂能力、结构和功能可调的多孔材料, 在光催化二氧化碳还原反应中具有极强的应用潜力. 但大多数金属有机骨架材料存在可见光吸收范围窄、光生载流子快速复合等问题, 导致催化二氧化碳还原活性仍然较低. 通过静电自组装策略将纳米级胺基化金属有机骨架材料(NH₂-MIL-88B(Fe))和羧酸化石墨烯量子点(GQD)通过静电作用结合, 得到GQD/NH₂-MIL-88B(Fe)复合材料. 该复合催化剂有效结合了金属有机骨架强二氧化碳吸附富集能力和GQD的可见光吸收范围宽、电子传导能力强等优点, 因此与纯金属有机骨架材料NH₂- MIL-88B(Fe)相比较, 该复合材料能高效光催化还原CO₂为CO, 并在10 h可见光下活性高达590 μmol/g, 约为NH₂-MIL-88B(Fe)活性的四倍. 这项工作为制备高活性催化CO₂的金属有机骨架复合材料提供了借鉴.     

离子交换对usf-ZMOF二氧化碳吸附能力影响的研究

合成了骨架带电的类沸石金属-有机骨架材料usf-ZMOF. 通过Li^＋离子交换将骨架中体积较大的有机阳离子用较小体积的无机阳离子取代, 利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA)等手段对离子交换前后的材料进行表征, 并对CO₂在其中的吸附性质进行了研究. 实验结果表明, Li^＋离子交换后材料的比表面积增加, CO₂吸附量也增加, 与分子模拟预测的结果一致.     

锂参与合成MOF-5用于CO_2/CH_4混合气体分离

利用溶剂热法合成了不同锂含量的MOF-5(x Li-MOF-5,x=0,1,3,5)。在MOF-5结晶过程中,锂离子被合并入其骨架结构中。实验表明,合并入骨架的锂能够改变MOF-5的结构和表面化学性质。不同的x Li-MOF-5能够不同程度降低骨架相互穿插的程度从而导致其吸附分离能力的大幅改变。其中,3Li-MOF-5具有最高的二氧化碳捕获能力(5.47 mmol·g-1),对40%CO2/60%CH4混合气体具有最优吸附选择性。     

基于咔唑羧酸配体构筑铁基金属有机框架及其对CO2/CH4混合气体的分离性质

通过咔唑羧酸配体(H₃L)与三核铁簇[Fe₃(μ₃-O)(CH₃COO)₆]在水热条件下反应, 合成了具有三维骨架结构的铁基金属有机框架(1). 气体吸附实验结果表明, 化合物1具有高的比表面积且对CO₂的吸附量大于对CH₄的吸附量. 理想溶液吸附理论(IAST)计算结果表明, 化合物1在100 kPa及温度分别为273和298 K下对CO₂/CH₄(体积比为0.5∶0.5)混合气体的分离比分别为3.52和3.15, 预示其可以作为一种CO₂/CH₄分离型材料.     

DNA碱基(对)及其Zn2+复合物对CO2,N2,H2小分子的吸附

用M062X/6-31+G^*方法探讨了腺嘌呤(A)、 胸腺嘧啶(T)、 鸟嘌呤(G)、 胞嘧啶(C)及其碱基对(AT, GC)以及Zn²⁺复合物(AAA-Zn²⁺, AAT-Zn²⁺和GGC-Zn²⁺)对混合小分子H₂, N₂, CO₂的吸附情况, 系统研究了其相互作用模式及吸附强度, 预测了常见混合气体分子与碱基(对)及复合物的吸附位置. 研究表明, CO₂倾向于以氢键的形式结合到碱基(对)的氨基氢或亚氨基氢上, 而N₂和H₂分子则倾向于结合到这些碱基(对)的平面π电子上, 以堆垛的形式存在. 根据吸附强度大小, 预测了由这些碱基为骨架合成的金属有机骨架(MOF)吸附材料对小分子的选择性吸附顺序为H₂22. 研究表明, 以AT对结合金属Zn²⁺为节点的纯天然碱基对构成的MOF要比实验合成的AA碱基对与Zn²⁺结合的MOF具备更好的吸附和分离性能.     

碳化多孔有机骨架制备氮掺杂多孔碳及其气体吸附研究

通过简单的一步碳化方法, 以含氮的多孔有机骨架JUC-Z2为碳前驱物制备出氮掺杂多孔碳材料. 与原始JUC-Z2材料相比, 制备的多孔碳材料显示出明显提高的气体吸附量和增强的吸附焓. 其中JUC-Z2-900的CO₂吸附量高达113 cm³·g^-1, H₂吸附量也达到246 cm³·g^-1, 超过了大部分报道的多孔材料. 尤其是JUC-Z2-900的CH₄吸附量在273 K, 1 bar下高达60 cm³·g^-1, 据我们所知, 这一值为目前报道材料的最高值. 除此之外, 样品还显示出选择性吸附CO₂的能力, 273 K下, JUC-Z2-900的CO₂/N₂的选择性高达10, CO₂/H₂的选择性也高达66. 另外, 样品具有很高的热稳定性, 有望应用在碳捕获和清洁能源储存等领域.     

锂参与合成MOF-5用于CO2/CH4混合气体分离

利用溶剂热法合成了不同锂含量的MOF-5(xLi-MOF-5, x=0, 1, 3, 5).在MOF-5结晶过程中,锂离子被合并入其骨架结构中.实验表明,合并入骨架的锂能够改变MOF-5的结构和表面化学性质.不同的xLi-MOF-5能够不同程度降低骨架相互穿插的程度从而导致其吸附分离能力的大幅改变.其中,3Li-MOF-5具有最高的二氧化碳捕获能力(5.47 mmol·g^-1),对40% CO₂/60% CH₄混合气体具有最优吸附选择性.     

晶种法合成UZM-9分子筛及其CO2/CH4/N2吸附分离性能

以TEAOH和TMAOH为有机模板剂,酸处理的UZM-9分子筛为晶种,采用水热法在48 h内合成出分子筛UZM-9,并对其CO₂/CH₄/N₂的吸附分离性能进行了研究。采用XRD、ICP、TG、SEM与气体吸附等手段对晶种法合成的UZM-9分子筛结构、耐水稳定性与吸附性能进行了研究。结果表明,晶种法可以在2 d内合成出硅铝原子比在3以上、收率达到65%的UZM-9分子筛;所得分子筛的CO₂吸附容量可以达到5 mmol/g以上,吸附热为34 kJ/mol,CO₂/CH₄、CO₂/N₂与CH₄/N₂的平均分离因子分别为100、240与2.4,CO₂分离性能优良且具有一定耐水性能。     

二氧化碳/甲烷/氮气二元混合物在有序介孔碳材料CMK-3 中的吸附和分离

采用分子模拟与吸附理论研究了天然气成分在有序介孔碳材料CMK-3上的吸附和分离.巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)模拟表明,CH4和CO2气体的较优存储条件分别为208 K、4 MPa和298 K、6 MPa,其最大超额吸附量分别为10.07和14.85 mmol· g-1.基于双位Langmuir-Freundlich (DSLF)模型,使用理想吸附溶液理论(IAST)预测了不同二元混合物在CMK-3中的分离行为,发现吸附选择性Sco2/CH4与ScH4/N2比较接近,在298 K和4 MPa下约等于3,而N2-CO2体系中的CO2吸附选择性较高,可达到7.5,说明CMK-3是一种适合吸附和分离天然气组分的碳材料.     

High-throughput model-building and screening of zeolitic imidazolate frameworks for CO2 capture from flue gas

To find potential zeolitic imidazolate frameworks(ZIFs)for CO2 capture from flue gas,we built 169,898 ZIF models from 84,949 hypothetical zeolite networks.By calculating their lattice energies,accessible volumes to CO2,the isosteric adsorption heat(Qst)of H2 O,Henry’s constant ratio(SKH)of CO2/N2,percent regenerability(R%),CO2 working capacity(ΔNCO2),CO2/N2 adsorption selectivity(SCO2/N2))and adsorbent performance score(APS),we identi fied 49 hydrophobic ZIF structures that might outplay already-realised ZIFs built from the same imidazolate linkers for CO2 capture from flue gas.     

Separation of CO_2–N_2 using zeolite NaKA with high selectivity

The adsorption method based on solid adsorbents is one of feasible ways to capture and store CO_2. Using the ion exchange method, different zeolites Na KA varying in K+content were produced. The adsorption isotherms and kinetic uptakes were measured. The experimental results show that the optimal NaKA could adsorb significant quantities of CO_2 and little N_2. On the zeolite Na KA with 14.7 at.% K+, the adsorption capacity for pure CO_2 is over 3.10 mmol g~(-1) and the CO_2–N_2 selectivity is about 149 at ambient pressure and temperature. The kinetic CO_2–N_2 selectivity could also achieved 200 within 3 min according to the uptake data. To demonstrate the separation effectiveness, breakthrough curves of pure components and binary mixtures were investigated experimentally and theoretically in a fixed bed. It is found that the breakthrough points of CO_2 and N_2 are almost at the same time under the atmospheric pressure at 348 K with the raw gas composition CO_2/N_2(20:80, v/v). If the pressure has been increased higher than 0.1 MPa, CO_2 would break through the bed much slower than N_2. Therefore, the pressure may become the limiting factor for the separation performance of zeolites NaKA.     

Novel CO2 selectively permeating membranes containing PETEDA dendrimer

Pentaerythrityl tetraethylenediamine (PETEDA) dendrimer was synthesized from pentaerythrityl tetrabromide and ethylenediamine. Its molecular structure was characterized by elemental analysis, Fourier transform infrared resonance (FT-IR) and hydrogen nuclear magnetic resonance (¹H NMR) spectroscopy. The composite membranes for selectively permeating CO₂ were prepared by using PETEDA-PVA blend polymer as the active layer and polyethersulfone (PES) ultrafiltration membrane as the support layer and their permselectivity was tested by pure CO₂ and CH₄ gases and the gas mixture containing 10 vol.% CO₂ and 90 vol.% CH₄, respectively. For pure gases, the membrane containing 78.6 wt% PETEDA and 21.4 wt% PVA in the blend has a CO₂ permeance of 8.14 × 10⁻⁵ cm³ (STP) cm⁻² s⁻¹ cmHg⁻¹ and CO₂/CH₄ selectivity of 52 at 143.5 cmHg feed gas pressure. While feed gas pressure is 991.2 cmHg, CO₂ permeance reaches 3.56 × 10⁻⁵ cm³ (STP) cm⁻² s⁻¹ cmHg⁻¹ and CO₂/CH₄ selectivity is 19. For the gas mixture, the membrane has a CO₂ permeance of 6.94 × 10⁻⁵ cm³ (STP) cm⁻² s⁻¹ cmHg⁻¹ with a CO₂/CH₄ selectivity of 33 at 188.5 cmHg feed gas pressure, and a CO₂ permeance of 3.29 × 10⁻⁵ cm³ (STP) cm⁻² s⁻¹ cmHg⁻¹ with a CO₂/CH₄ selectivity of 7.5 at a higher feed gas pressure of 1164 cmHg. A possible gas transport mechanism in the composite membranes is proposed by investigating the permeating behavior of pure gases and the gas mixture and analyzing possible reactions between CO₂/CH₄ gases and the PETEDA-PVA blend polymer. The effect of PETEDA content in the blend polymer on permselectivity of the composite membranes was investigated, presenting that CO₂ permeance and CO₂/CH₄ selectivity increase and CH₄ permeance decreases, respectively with PETEDA content. This is explained by that with increasing PETEDA content, the carrier content increases, and the crystallinity and free volume of the PETEDA-PVA blend decrease that were confirmed by the experimental results of X-ray diffraction spectra (XRD) and positron annihilation lifetime spectroscopy (PALS).     

Synthetic Control Method for Crystallite Size of MOF-5

We reported a dripping solvothermal method for synthesizing metal-organic framework-5（MOF-5）. It started from separately dissolving Zn（NO3）2 and terephthalic acid（H2BDC） in dimethyl formamide（DMF）, and then dripping one solution into the other. Results of SEM, XRD and laser particle size distribution show that regular cubic-shaped and micro-crystallite powder of MOF-5 can be obtained. The d0.5（volume-median-diameter） values are 4.32 μm for particles prepared by dripping Zn（NO3）2 into H2BDC（ZH） and 9.32 μm for those prepared by dripping H2BDC into Zn（NO3）2（HZ）, much smaller than 22,7 μm that of particles prepared by the traditional adding water solvothermal method（L）. The standard deviations of the particle size distributions fitted by the GaussAmp model are 2.49, 4.38 and 15.4 respectively for ZH, HZ and L, further revealing narrower size distributions of particles prepared by the dripping method. In addition, the Langmuir specific surface areas are 923 m^2/g for ZH and 868 m^2/g for HZ. The TGA results present mass losses of 4.18% and 3.62% at 105 ℃, 17.19% and 14.78% at 245 ℃, 39.04% and 34.85% at 600℃ separately for ZH and HZ, which correspond to the removal of H20, DMF and the decomposition of MOF-5. This indicates that MOF-5 has a strong adsorption ability for small molecules. Besides, the mass loss of 48.39%（ZH） and 41.02%（HZ）between 400 ℃ and 600 ℃ are less than the theoretical value of 57.81% for MOF-5 decomposition to ZnO, suggesting that an impure phase with an extra amount of ZnO may exist in the cavities of MOF-5.