金属-有机骨架复合材料的制备及其二氧化碳吸附性能

通过原位溶剂热法分别合成了HKUST-1、MIL-101、UiO-66与羟基化介孔氧化硅泡沫（MCF-OH）的复合物,并对材料进行了PXRD、SEM、低温N2吸-脱附、XPS、TGA表征及298K下的CO₂吸附测试。结果显示：3种复合材料中都形成了对应MOFs的晶型结构,但由于各类MOFs金属中心的不同,MCF-OH对MOFs的形貌产生了不同的影响。其中,HKUST-1^#MOF-OH复合材料中MCF-OH的加入对HKUST-1的生长起到了导向作用,在两者界面间形成了新的介孔结构,并且其微孔孔径尺寸更接近CO₂的动力学直径。另外两种复合材料中MCF-OH的加入主要对其MOFs晶型颗粒的生长起到了限制作用,使其晶型颗粒尺寸减小,从而带来了比表面积的增加。3种复合材料的CO₂吸附量都较纯MOFs材料有所提高,并且由于HKUST-1^#MOF-OH复合材料中微孔孔径尺寸的减小以及新的介孔结构的引入使其对CO₂的吸附更加高效,因此其较纯MOFs材料的吸附性能提升效果最为明显。     

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。     

一维直孔道MOFs对CH4/N2和CO2/CH4的分离

非常规天然气未来可以作为常规天然气的有效补充,其中低浓度煤层气和生物质燃气分别需要脱除大量的N₂ 和CO₂以达到富集和纯化CH₄的目的。本研究针对CH₄/N₂这一对较难分离的气体组合,选取了具有一维菱形孔道的MOFs材料Cu(INA)₂作为吸附剂,将合成的样品做了XRD和TG表征,测试了纯气体CO₂、CH₄和N₂的吸附曲线,利用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)分子模拟和理想吸附溶液理论(IAST)计算了气体的吸附热和该材料对于CH₄/N₂和CO₂/CH₄的吸附选择性系数;3 MPa压力下制备的颗粒样品填装吸附分离装置,进行了混合气体CH₄/N₂ (50%/50%)和CO₂/CH₄ (50%/50%)的穿透试验,分离的结果显示,Cu(INA)₂不仅高选择性地吸附CH₄/N₂混合物中的CH₄(S_CH4/N2=10),而且对CH₄/N₂的分离效果优于CO₂/CH₄。     

M-MOF-74吸附分离H2/He混合物的分子模拟研究

为了探究有机金属框架MOF-74能否作为一种优良的固体吸附剂,分离H₂/He混合物中H₂,并达到提纯He的目的,采用分子模拟的手段研究了H₂、He及H₂/He混合物在M-MOF-74（M=Mg、Co、Ni、Cu、Zn）上的吸附性能及吸附机理。结果表明,在1 bar（1 bar=10⁵ Pa）压力和25℃条件下,纯H₂对纯He在Ni-MOF-74上的选择性达6.58,而Mg-MOF-74对H₂的吸附量最大,其值为0.19 mmol·cm^-3,为He吸附量的6.46倍。当H₂/He混合物的浓度发生变化时,对其在M-MOF-74上的吸附分离因子没有较大影响,说明浓度变化不会影响M-MOF-74上吸附位点容纳H₂和He的能力。吸附位点和吸附热分析表明,MOF-74上的金属离子未饱和位点能够显著增强其对H₂的吸附能力。其结果对判断M-MOF-74是否具有分离H₂/He混合物的潜力,以及定量分析MOFs金属未饱和位点对H₂/He混合物分离的贡献提供了一定的理论基础。     

M-MOF-74吸附分离H2/He混合物的分子模拟研究

为了探究有机金属框架MOF-74能否作为一种优良的固体吸附剂,分离H₂/He混合物中H₂,并达到提纯He的目的,采用分子模拟的手段研究了H₂、He及H₂/He混合物在M-MOF-74（M=Mg、Co、Ni、Cu、Zn）上的吸附性能及吸附机理。结果表明,在1 bar（1 bar=10⁵ Pa）压力和25℃条件下,纯H₂对纯He在Ni-MOF-74上的选择性达6.58,而Mg-MOF-74对H₂的吸附量最大,其值为0.19 mmol·cm^-3,为He吸附量的6.46倍。当H₂/He混合物的浓度发生变化时,对其在M-MOF-74上的吸附分离因子没有较大影响,说明浓度变化不会影响M-MOF-74上吸附位点容纳H₂和He的能力。吸附位点和吸附热分析表明,MOF-74上的金属离子未饱和位点能够显著增强其对H₂的吸附能力。其结果对判断M-MOF-74是否具有分离H₂/He混合物的潜力,以及定量分析MOFs金属未饱和位点对H₂/He混合物分离的贡献提供了一定的理论基础。     

煤焦直接还原脱除烟道气氮氧化物

选用3种不同煤焦,采用程序升温和恒温实验方法,在固定床上考察了不同实验条件下的NO转化率和C对NO选择性,分析了煤焦脱硝的机理和影响因素。实验结果表明：NO和O₂在煤焦表面发生化学吸附所形成的络合物在脱硝过程中起着关键作用,影响C-NO反应和C-O₂反应的竞争与协作关系。在所考察的煤焦中锡林浩特褐煤焦脱硝效果最好,当温度为723 K时烟道气中NO还原率可达99%;在温度623～923 K、O₂浓度0～5%范围内,提高温度和O₂浓度均有利于提高NO转化率,而降低O₂浓度有利于提高C对NO选择性;烟道气中NO浓度越高,其转化率越低,但C对NO选择性越高。     

炭膜分离CO2/CH4混合气的分子模拟

针对炭膜分离CO₂/CH₄混合气体的过程,分别采用Materials Studio和Lammps软件进行分子模拟,建立与炭膜孔结构相近的Z字形孔模型,通过实验数据验证了模型的可靠性,通过对CO₂/CH₄纯组分及混合气体在膜孔内的吸附和扩散过程的模拟得到分离系数并探讨气体分离机理。综合吸附与扩散过程的模拟结果表明:适当的低温和较小的孔径有利于实现CO₂/CH₄混合气体的分离;随着温度的升高,CO₂/CH₄的分离系数减小,而且膜孔径对分离系数的排序为0.670nm>1.005nm>1.340nm;在温度为298K、膜孔径为0.670nm的操作条件下CO₂/CH₄的分离系数为20.1,与实验数据较吻合。研究结果可为优化炭膜制备提供指导,并为探讨分离过程机理提供依据。     

葡萄糖基多孔碳材料对CO2/CH4的分离性能

以淀粉糖（主要成分为葡萄糖）为碳前体,制备了一系列多孔碳材料（C-GLCs-800）,对其进行孔隙结构分析,并应用FT-IR、SEM、TGA对其进行了表征,测定了材料在288、298和308 K下的CO₂和CH₄吸附等温线,根据IAST理论预测了材料对CO₂/CH₄二元体系的吸附选择性。实验结果显示,活化条件对材料的孔隙结构有明显影响,随着KOH/C质量比的增加,所制备的C-GLCs-800比表面积和总孔容先增加后降低。其中C-GLC-800-4的BET比表面积高达3153 m²·g^-1,总孔容为2.056 cm³·g^-1。C-GLC-800-2的窄微孔（V_d<1 nm,孔容0.3538 cm³·g^-1）含量最高,为30.63%。C-GLC-800-2在298 K和10⁵ Pa下对CO₂吸附量高达3.96 mmol·g^-1,明显高于许多传统吸附材料和MOFs材料在相同条件下对CO₂的吸附容量。应用Clausiuse-Clapeyron方程计算了CO₂和CH₄在材料上的吸附热,应用IAST理论计算了CO₂/CH₄的吸附选择性,结果显示C-GLC-800-2对CO₂/CH₄的吸附选择性为8.35。     

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。     

多孔氢键金属-有机框架材料对乙炔和二氧化碳的吸附分离

以腺嘌呤和溴化铜（氯化铜）为原料,采用慢扩散合成法,合成多孔氢键金属-有机框架材料MPM-1-Br和MPM-1-Cl。采用SEM、PXRD、TGA及比表面积分析等技术对材料进行综合表征,并测定了此二种同构多孔氢键金属-有机框架材料对乙炔和二氧化碳单组分气体的吸附等温线。实验结果表明,MPM-1-Br和MPM-1-Cl的比表面积分别为373 m²·g^-1和417 m²·g^-1,且在<240℃的温度范围内有良好的稳定性;在298 K和总压100 kPa下,通过IAST理论计算得到其对C₂H₂/CO₂混合气体（体积比50：50）的吸附选择性分别达到了3.8和3.0,与HKUST-1（4.7）和UTSA-30（3.3）等金属-有机框架材料有相当的分离性能。     

MIL-101Cr-F/Cl用于N2O的捕集研究

氧化亚氮（N₂O）是仅次于CO₂和CH₄的第三大温室气体,对其捕集具有资源回收和减排温室气体的双重价值。本文通过添加氢氟酸和盐酸合成了末端具有不同阴离子的MIL-101Cr材料：MIL-101（Cr）-F和MIL-101（Cr）-Cl,通过XRD、BET、SEM等对样品进行了表征,测试并分析了两种样品对N₂O和N₂的吸附性能,进行了选择性和吸附热的计算以及混合气体的穿透模拟。研究结果表明,MIL-101（Cr）-Cl拥有目前最高的N₂O吸附容量（6.43 mmol/g,298 K）和N₂O/N₂选择性（267）,混合气体（N₂O/N₂=0.1%/99.9%）穿透模拟结果显示MIL-101（Cr）-Cl具有更加优异的微量N₂O捕获能力。     

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。     

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。     

羧酸改性HKUST-1提高甲烷吸附容量

为提高吸附材料对甲烷的吸附容量,采用溶剂热法合成了金属有机骨架材料HKUST-1,并进行了改性研究。HKUST-1的优化合成工艺条件为：原料摩尔比n（Cu（NO₃）₂·3H₂O）：n（H₃BTC）：n（DMF）：n（C₂H₅OH）：n（H₂O）=1.7：1：46：60：100,晶化温度为80℃,晶化时间24 h。合成HKUST-1在25℃、3.5 MPa下的甲烷吸附容量为11.9 mmol/g。乙酸改性HKUST-1可以提高甲烷吸附容量,当反应母液中V_HAc/V_solvent=5.8%时,合成HAc-HK-1（5.8%）的甲烷吸附容量达到12.6 mmol/g。分子模拟结果表明,加入乙酸可以调控HKUST-1晶体孔道结构,增大比表面积和孔容,提高甲烷吸附容量。     

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。     

金属有机骨架材料对单组分CO2吸附的研究进展

重点综述了近五年来MOFs材料在单组分CO₂吸附领域的最新研究进展,详细地介绍了近几年来被深入研究几种MOFs材料,主要按照国内外常用的IRMOFs、MILs、UiOs、ZIFs、其它系列等MOFs材料进行分类,从掺杂金属或氮原子、调节孔径、氨基功能化以及合成MOFs复合材料等方面,对其CO₂吸附性能和吸附机理进行了分析,展望了MOFs材料未来的发展方向,对MOFs提供了系统性理解,以期为MOFs材料应用到工程实践提供一定参考。     

二维Ti3C2Tx官能团微波等离子体调控及其气敏性能

采用液相溶液选择性刻蚀法制备风琴状二维碳化钛(Ti₃C₂T_x),并采用O₂–Ar微波等离子体在不同热处理温度下对Ti₃C₂T_x进行表面官能团调控。研究了不同等离子体处理温度下材料的微结构和表面官能团变化,探讨了Ti₃C₂T_x对甲醛和苯系物的气敏响应和选择性,从材料氧官能团变化角度探讨了可能的气体敏感机制。结果表明:O₂–Ar等离子体处理可增加Ti₃C₂T_x材料中的表面氧官能团含量,经500℃热处理样品在最佳工作温度下对0.01%(体积分数)甲醛响应可达到169,同时在室温下对甲醛也表现出良好的气敏性能。     

离子型有机多孔聚合物的制备及其烟气脱硫耦合脱碳性质

高效经济地消除燃煤烟气中的SO₂和CO₂对生态环境具有重要意义，但开发具有高捕集能力、高选择性和良好稳定性的吸附剂仍然是一个挑战。本文通过靛红与芳香族单体(三蝶烯)在超酸性条件下反应得到了性质稳定的有机多孔聚合物吸附剂PPN-1，并对PPN-1季胺化以及离子交换获得离子型多孔聚合物PPN-1-OH。由于两种有机多孔吸附剂拥有合适的BET表面积、丰富的微孔孔道以及大量的富电子基团，PPN-1和PPN-1-OH对SO₂和CO₂具有很强的亲和力。尤其是离子型有机多孔聚合物PPN-1-OH显示出超高的静态吸附能力，在298K、0.1MPa下其SO₂的吸附量高达13.09mmol/g，超过了此前报道的多孔材料。基于瞬时吸附速率，理想吸附溶液理论模拟和固定床穿透实验的研究证明PPN-1-OH具有卓越的SO₂动态吸附容量和选择性。在三组分混合气体(SO₂/CO₂/N₂=0.2/9/90.8，体积比)动态固...     

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。     

CeO2基水煤气变换催化剂COS中毒热力学研究

为探究COS对Ce O₂基水煤气变换催化剂的中毒机制，用HSC Chemistry 6.0热力学数据库对Ce O₂变换催化剂的COS中毒热力学进行了模拟计算，从热力学角度分析了在100～450℃水气变换温度下，COS分别与CO、H₂O和O₂共存时，Ce O₂催化剂可能发生的反应及产物。结果表明，温度分别高于150℃和300℃时，H₂O-COS-Ce O₂和CO-COS-Ce O₂体系中的Ce O₂硫中毒可被明显抑制；O₂对Ce O₂硫中毒的影响最大，整个催化温度范围内，O₂-COS-Ce O₂体系中所有反应均可自发进行，含S固态产物为Ce₂(SO₄)₃、Ce S₂和S。