金属有机骨架材料用于吸附分离CH4和N2的研究进展

非常规天然气的利用不仅可以有效缓解常规天然气不足带来的能源问题,而且可以降低其肆意排放带来的温室效应,无论是低浓度煤层气的提浓还是低品质天然气的提质都需要解决甲烷与氮气的分离难题。基于金属有机骨架（MOFs）材料结构和功能均呈多样化的特色,本文主要从CH₄选择型MOFs吸附材料和N₂选择型MOFs吸附材料两个方面,综述了近年来MOFs材料在CH₄与N₂吸附分离方面的研究进展,讨论了影响二者分离的影响因素,并对吸附与分离机理与MOFs结构和性能关联进行了详细的总结与分析,提出了CH₄与N₂选择性提升的方法,即需要合适的孔道尺寸与弱极性表面性质或有利骨架结构的协同作用,最后展望了MOFs材料在甲烷富集和纯化领域的应用前景和发展趋势。     

基于MOFs材料的低碳烃（C1~C3）分离研究进展

低碳烃（C₁~C₃）混合物的分离和纯化是化工过程中最重要且耗能最大的过程单元之一,开发温和条件下低能耗高选择性吸附分离C₁~C₃分子的固体吸附材料迫在眉睫。金属有机框架材料（MOFs）作为一类相对新颖的多孔有机-无机杂化材料,因其可控的拓扑结构和多样的化学微环境,在低碳烃分离和纯化领域受到广泛关注。本文概述了MOFs作为分离和纯化低碳烃气体吸附剂的特性,重点关注了MOFs材料在C₁（CO₂/CH₄）、C₂、C₃烯/烷烃以及烯/炔烃分离领域的应用进展。首先归纳了MOFs材料在C₁~C₃烃类物质分离过程中的三种常见分离机制,并据此回顾了近年来MOFs材料对常见C₁~C₃烃类分子的吸附及分离性能;分析了MOFs材料在C₁~C₃烃类物质分离过程中的构效关系,总结了MOFs材料的孔道尺寸/形状、骨架柔性和表面功能的调控理念与方法,并提出MOFs材料成本高、水热稳定性差、主客体关系难以精准探测等制约其应用发展的现状。文章指出未来研究重点为开发低成本多样化专一性的新型配体,构造复合型吸附剂,并明确吸附分离过程中分离体系主客体性质,为MOFs材料用于低碳烃分离的定向设计提供了探索方向。     

金属-卟啉框架材料在光催化领域的应用

金属-有机框架(metal-organic frameworks，MOFs)是一种由金属离子或金属簇与多齿有机配体通过配位键连接而形成的有机无机杂化多孔晶态材料，具有较大的比表面积和孔道，同时结构也易于实现剪裁。近十几年MOFs在催化、气体吸附等领域得到了较大发展。卟啉等四吡咯大环结构有很好的光吸收特性，作为连接体应用于MOFs中可有效拓宽其吸收光谱，因此，基于卟啉配体的MOFs被广泛应用于光催化领域。本文综述了近十年来金属-卟啉框架材料在光催化选择性有机合成、析氢、析氧、还原CO₂、降解有机污染物方面的应用，同时对金属-卟啉框架材料未来在光催化领域的发展进行了展望。     

多孔材料吸附分离甲烷氮气研究进展

多孔材料具有比表面积大、渗透性好、吸附选择性高等特性，在吸附分离领域被人们广泛利用。通过介绍甲烷脱氮的方法及原理，概述了分子筛、炭基材料与金属有机骨架(MOFs)三类多孔材料在吸附分离甲烷氮气方面的研究进展，分析探讨了各类材料的优势及其广阔的发展潜力。     

金属有机骨架材料在CO2/CH4吸附分离中的研究进展

CO₂/CH₄分离能耗高是生物甲烷过程核心难题之一。金属有机骨架材料（metal organic frameworks,MOFs）由于其优异的CO₂吸附分离性能,被视为最具潜力的CO₂分离捕集材料,近年来引起了广泛的关注。本文结合沼气的特点和MOFs研究的最新进展,对MOFs材料在CO₂/CH₄吸附分离过程的相关实验研究工作进行了综述。     

金属有机框架材料的绿色合成

金属有机框架化合物（Metal-organic frameworks,简称MOFs）是由金属离子（或簇）与有机配体配位并经由自组装而形成的一类多孔材料^[1]。MOFs具有极其发达的孔道结构,比表面积和孔容远超其他多孔材料。有机/无机杂化这一特点也赋予了MOFs其他材料（例如沸石、活性炭等）所不具备的无限结构功能可调性^[2]。此外,MOFs具有移除客体分子而主体框架完好保持的持久孔道或孔穴,这使得MOFs具有超乎寻常的化学及物理稳定性。正是基于以上这些特点,MOFs在许多领域有着丰富的应用^[3-4],例如催化^[5]、H₂储存^[6]、CO₂捕集^[7]、药物运输^[8]、污染物吸附^[9]、生物医学成像^[10]等方面。MOFs的商业化探索成为了目前的热点。MOFs的很多应用都与可持续发展及“绿色材料”有关,但MOFs本身的合成过程也需要考虑可持续性和环境影响。金属有机化学所面临的环境挑战是独特的,因为它将金属离子、有机配体的危害联系在一起,且合成过程大多需要大量能耗。主要介绍了金属有机框架材料的绿色可持续合成,主要分为4个方面：1）使用更安全或生物相容性的配体;2）使用更绿色、低成本的金属源;3）绿色溶剂的开发;4）无溶剂合成法。     

二价铬/钼/镍空配位MOFs的CH4/N2吸附分离研究

基于金属有机骨架材料中金属空配位对气体的强吸附作用,利用具有较高活性的二价金属Cr²⁺/Mo²⁺/Ni²⁺与均苯三酸（H₃BTC）配位合成了HKUST-1（Cu-BTC）同构系列材料M-BTC（M=Cr、Mo、Ni）,并与Cu-BTC对比分析了该类型材料中不同金属空配位对甲烷和氮气的吸附性能。实验结果显示,此三种材料均具有较好的甲烷选择吸附性,其中含Ni²⁺金属空位的Ni-BTC以其尤为突出的甲烷吸附热值而呈现较好的CH₄/N₂分离潜力;Cr²⁺空配位虽具有较强活性,但是对于甲烷的选择性吸附性能却低于含Cu²⁺空位的Cu-BTC材料。结合吸附选择性IAST计算分析得到此三种含较高活性不饱和金属空配位的MOFs材料对于甲烷选择性吸附作用能顺序为：Ni-BTC > Mo-BTC > Cu-BTC > Cr-BTC。     

一种具有高CO吸附容量和高CO/N2及CO/CO2分离选择性的CuCl@β吸附剂

研制了一种新型的CuCl@β分子筛吸附剂材料,它不仅对CO有着高吸附容量,而且对CO/N₂和CO/CO₂的二元混合气有着高吸附选择性。利用自发单层分散的原理制备了一系列的CuCl@β分子筛材料,分别应用氮气吸附以及XRD进行表征。CO在CuCl@β分子筛上吸附等温线和动态透过曲线分别通过静态吸附和固定床实验获得。依据IAST理论模型计算了CuCl@β分子筛对CO/N₂二元混合物和CO/CO₂二元混合物的吸附选择性。研究结果表明:(1)氯化亚铜的负载增强了一氧化碳在CuCl@β分子筛上的吸附容量,其最佳负载量为0.4 g·g^-1。(2)CuCl@β分子筛吸附剂在增强CO的吸附量的同时,还降低了对二氧化碳和氮气的吸附。由于Cu⁺-CO π位络合键的存在,提高了CuCl@β分子筛对二元混合物CO/N₂和CO/CO₂的吸附选择性。(3)在低压下(0～10 kPa)下0.4CuCl@β分子筛对CO/N₂和CO/CO₂的吸附选择性分别高达1600～5200和120～370,远大于原始的β分子筛。CuCl@β分子筛对CO有着超高吸附容量以及吸附选择性,将会是一种很有潜力的CO分离提纯材料。     

在不同构型分子筛催化剂中吸附和扩散的分子模拟

基于巨正则蒙特卡洛和分子动力学,对NH₃-SCR反应体系中吸附质分子（NO与NH₃）在不同拓扑结构沸石分子筛（LTL、FER、LEV、BEA、MOR、FAU、CHA和MFI）上的吸附和扩散特性进行系统研究。结果表明,对于全硅分子筛而言,其分子筛的拓扑结构影响NO与NH3在分子筛上的吸附,综合吸附量及吸附作用能发现,MFI和LEV分子筛对NO具有较优的吸附特性;MFI和BEA分子筛对NH₃ 具有较优的吸附特性。研究了Si与Al物质的量比对BEA分子筛吸附性能影响,结果表明,随着Si与Al物质的量比降低,分子筛自由体积逐渐增加,进而有助于分子筛催化剂对NO和NH₃的吸附。采用分子动力学模拟计算NO与NH₃在不同构型全硅分子筛上的扩散系数,发现具有三维直通道且孔径较大的分子筛催化剂有利于NO和NH₃在其孔道内部的扩散,MFI虽然具备三维孔道结构,但由于存在Z型交叉通道,一定程度阻碍了反应物分子的扩散。     

煤层气回收及CH4/N2分离PSA材料的研究进展

我国煤层气蕴藏丰富,在面临能源危机时代煤层气可作为天然气能源的有效补充。本文介绍了低浓煤层气回收即CH₄/N₂分离几种常见技术：低温技术、水合物技术、溶解技术、膜分离和变压吸附技术（PSA）的分离原理、技术开发和研究的现状,并分析了各项技术目前存在的问题。讨论了多孔材料,如活性炭、碳分子筛、沸石分子筛和新型金属有机骨架材料（MOFs）等对CH₄/N₂吸附分离效果的研究进展,由于MOFs材料的吸附性能随温度或压力的改变出现飞跃,预示了其在PSA领域广阔的应用前景。     

铪金属-有机骨架材料的孔尺寸调控及其吸附性能

利用三种不同长度的有机配体--反丁烯二酸（H₂FUM）、对苯二甲酸（H₂BDC）和联苯二甲酸（H₂BPDC）,合成了一系列具有不同孔尺寸的新型铪（Hf）金属-有机骨架（MOF）材料（Hf-FUM、Hf-BDC和Hf-BPDC）,并考察了CO₂、N₂和CH₄三种气体在这些材料中吸附分离行为。研究结果表明,这三种材料具有和UiO-66（Zr）相同的拓扑结构,且具有很好的热稳定性。Hf-FUM和Hf-BDC的结构在水中能够保持稳定,而Hf-BPDC在水中会发生降解。同时,具有最小孔尺寸的Hf-FUM材料对CO₂/N₂以及CO₂/CH₄体系具有最好的分离性能。这为以后设计用于CO₂分离的新型纳微结构材料提供了参考依据。     

Screening and design of COF-based mixed-matrix membrane for CH4/N2 separation

Membrane separation is a high-efficiency, energy-saving, and environment-friendly separation technology. Covalent organic framework (COF)-based mixed-matrix membranes (MMMs) have broad application prospects in gas separation and are expected to provide new solutions for coal-bed methane purification. Herein, a high-throughput screening method is used to calculate and evaluate COF-based MMMs for CH₄/N₂ separation. General design rules are proposed from thermodynamic and kinetic points of view using the computation-ready, experimental COFs. From our database containing 471,671 generated COFs, 5 COF membrane materials were screened with excellent membrane selectivities, which were then used as the filler of MMMs for separation performance evaluation. Among them, BAR-NAP-Benzene_CF₃ combined with polydimethylsiloxane and styrene-b-butadiene-b-styrene show high CH₄ permeability of 4.43×10^-13 mol·m·s^-1·Pa^-1·m^-2 and high CH₄/N₂ selectivity of 9.54, respectively. The obtained results may provide reasonable information for the design of COF-based membranes for the efficient separation of CH₄/N₂.     

SAPO-34 membranes for CO2/CH4 separations: Effect of Si/Al ratio

Silicoaluminophosphate (SAPO) membranes with Si/Al gel ratios from 0.05 to 0.3 were synthesized by in situ crystallization onto porous, tubular stainless steel support. Pure SAPO-34 membranes were obtained when the Si/Al ratio was 0.15 or higher. The adsorbate polarizability correlated with the adsorption capacity on SAPO-34, and the amounts of gases adsorbed were in the order: CO₂ > CH₄ > N₂ > H₂. The Si/Al ratio did not affect the pore volume significantly, but it changed the CO₂ and CH₄ adsorption equilibrium constants. The SAPO-34 membranes effectively separated CO₂ from CH₄ for feed pressures up to 7 MPa. At 295 K, for a pressure drop of 138 kPa and a 50/50 feed, the CO₂/CH₄ selectivity was 170 for a membrane with a Si/Al gel ratio of 0.15. At 7 MPa, the CO₂/CH₄ selectivity was 100 and the CO₂ permeance was 4 × 10⁻⁸ mol/(m² · s · Pa) at 295 K. This membrane was also separated CO₂/N₂ (selectivity = 21) and H₂/CH₄ (selectivity = 32) mixtures at 295 K and a pressure drop of 138 kPa. Competitive adsorption and difference in diffusivities are responsible for CO₂/CH₄ and CO₂/N₂ separations, whereas the H₂/CH₄ separation was due to diffusivity differences. For a membrane with Si/Al gel ratio of 0.1, a mixture of SAPO-34 and SAPO-5 formed, and the CO₂/CH₄ selectivity was lower.     

高稳定铪金属-有机骨架材料的合成及二氧化碳捕获性能

采用高温高浓度的溶剂热方法,合成了具有高结晶度的一种金属-有机骨架（metal-organic framework,MOF）材料UiO-66（Hf）,并发现该材料在沸水、酸碱等苛刻条件下具有非常好的化学稳定性。为了提高其对气体的吸附分离性能,进一步采用具有不同官能团的有机配体--氨基对苯二甲酸（H₂BDC-NH₂）、硝基对苯二甲酸（H₂BDC-NO₂）、溴对苯二甲酸（H₂BDC-Br）,设计合成了孔道表面具有不同化学性质的三种新型铪MOF材料,且这些材料与UiO-66（Hf）具有相同的拓扑结构。同时,气体吸附实验结果表明,极性基团的引入,尤其是氨基的引入,能极大提高材料对CO₂/N₂以及CO₂/CH₄体系的分离性能。这为以后应用于化工体系分离的新型多孔材料合成提供了理论指导。     

High-performance SSZ-13 membranes prepared using ball-milled nanosized seeds for carbon dioxide and nitrogen separations from methane

SSZ-13 membranes with high separation performances were prepared using ball-milled nanosized seeds by once hydrothermal synthesis. Separation performances of SSZ-13 membranes in CO_2/CH_4 and N_2/CH_4 mixtures were enhanced after synthesis modification. Single-gas permeances of CO_2, N_2 and CH_4 and ideal selectivities were recorded through SSZ-13 membranes. The effects of temperature, pressure, feed flow rate and humidity on separation performance of the membranes were discussed. Three membranes prepared after synthesis modifications had an average CO_2 permeance of 1.16 × 10~(-6) mol·(m~2· s·Pa)~(-1)(equal to 3554 GPU) with an average CO_2/CH_4 selectivity of 213 in a 50 vol%/50 vol% CO_2/CH_4 mixture. It suggests that membrane synthesis has a good reproducible. The membrane also displayed a N_2 permeance of 1.07 × 10~(-7) mol·(m~2·s·Pa)~(-1)(equal to 320 GPU) with a N_2/CH_4 selectivity of 13 for a 50 vol%/50 vol% N_2/CH_4 mixture. SSZ-13 membrane displayed stable and good separation performance in the wet CO_2/CH_4 mixture for a long test period over 100 h at 348 K. The current SSZ-13 membranes show great potentials for the simultaneous removals of CO_2 and N_2 in natural gas purification as a facile process suitable for industrial application.     

面向生物甲烷分离的不同金属配位金属-有机骨架材料的分子设计

采用巨正则Monte Carlo法（GCMC）,对CH₄ /CO₂混合气体体系基于金属-有机骨架材料（MOFs）的吸附分离进行了模拟研究。吸附分离材料涉及3个系列（M-MOF-74、M-MIL-53和[M（atz）（bdc）_0.5]）（M=Mg,Co,Ni,Zn,Al,Cr）不同金属配位的8种MOF材料。研究表明,Mg-MOF-74的CO₂吸附性能在高压下优于其他材料;在低压时,拥有大量氨基官能团的[Zn（atz）（bdc）_0.5]和[Co（atz）（bdc）_0.5]材料有更高效的CO₂分离性能。通过径向分布函数和CO₂吸附构型快照重叠图进一步分析发现,各个系列材料不同金属配位对CO₂吸附构型的影响造成了材料吸附分离性能有较大的不同。研究结果能够为实验上设计和开发新型高效CO₂和CH₄吸附分离MOFs材料提供启发。     

界面聚合法制备用于脱氮提纯CH4的N2优先渗透ZIF-90/聚酰胺混合基质膜

作为一种高效的分离方法,膜法分离非常规天然气具有较理想的应用前景。相较CH₄优先渗透膜,N₂优先渗透膜优势在于分离N₂/CH₄混合气后CH₄处于高压侧,利于后续处理。以均苯三甲酰氯为油相单体,间苯二胺为水相单体,采用界面聚合法在聚砜基膜上制备致密超薄聚酰胺分离层,并通过向其中引入孔径可允许N₂分子通过而不允许CH₄分子通过的纳米颗粒ZIF-90,在膜内形成固定的N₂传递通道,成功制备了用于脱氮提纯CH₄的N₂优先渗透混合基质膜。膜渗透选择性能测试结果显示当混合基质膜中纳米颗粒掺杂量为0.30 g·L^-1时,2 bar（1 bar=0.1 MPa）进料压力下,N₂渗透速率达1.16×10^-9 mol·m^-2·s^-1·Pa^-1,N₂/CH₄分离因子达16.6,分离因子比未掺杂ZIF-90的聚酰胺膜提高46.5%,具有一定的处理非常规天然气脱氮提纯甲烷的应用潜力。     

界面聚合法制备用于脱氮提纯CH4的N2优先渗透ZIF-90/聚酰胺混合基质膜

作为一种高效的分离方法,膜法分离非常规天然气具有较理想的应用前景。相较CH₄优先渗透膜,N₂优先渗透膜优势在于分离N₂/CH₄混合气后CH₄处于高压侧,利于后续处理。以均苯三甲酰氯为油相单体,间苯二胺为水相单体,采用界面聚合法在聚砜基膜上制备致密超薄聚酰胺分离层,并通过向其中引入孔径可允许N₂分子通过而不允许CH₄分子通过的纳米颗粒ZIF-90,在膜内形成固定的N₂传递通道,成功制备了用于脱氮提纯CH₄的N₂优先渗透混合基质膜。膜渗透选择性能测试结果显示当混合基质膜中纳米颗粒掺杂量为0.30 g·L^-1时,2 bar（1 bar=0.1 MPa）进料压力下,N₂渗透速率达1.16×10^-9 mol·m^-2·s^-1·Pa^-1,N₂/CH₄分离因子达16.6,分离因子比未掺杂ZIF-90的聚酰胺膜提高46.5%,具有一定的处理非常规天然气脱氮提纯甲烷的应用潜力。