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。     

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。     

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。     

金属有机骨架材料在CO_2/CH_4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。     

一维超微孔MOFs[M_3(HCOO)_6](M=Fe,Co,Ni)用于乙烯-丙烯混合物的分离

烯烃是重要的化工原料,其生产过程中存在分离提纯能耗过大的问题。本文通过溶剂热方法合成了超微孔[M_3(HCOO)_6](M=Fe,Co,Ni)系列材料,利用XRD、N_2吸附、SEM等对其结构与形貌进行了表征,详细考察了[M_3(HCOO)_6]的不同孔道结构对于乙烯和丙烯吸附的影响。结合固定床气体分离装置,测试了[M_3(HCOO)_6]对于乙烯-丙烯气体混合物的动力学分离性能。结果表明:通过构建不同的中心金属,有效地控制了MOFs的孔径尺寸;较大的孔径尺寸会提高乙烯和丙烯的吸附量,但对丙烯/乙烯的吸附选择性不高,分离性能较低;较小的孔径有利于提高对丙烯的吸附强度,从而提高丙烯/乙烯的吸附选择性与分离性能。本文通过对[M_3(HCOO)_6]系列MOFs不同中心金属的替换,提高了其对于丙烯/乙烯混合物的分离性能,为实现低碳烃混合物的高效分离提供了思路。     

金属有机框架材料光催化还原CO2的应用

金属有机框架材料(MOFs)是由金属原子或原子团簇与有机配体构成的多孔材料,具有良好的吸附性和光催化活性。基于对植物光合作用的模拟,MOFs材料光催化将CO2还原转化为系列碳氢化合物燃料在环境保护和未来能源供应方面具有广阔的应用前景。本文简述了MOFs光催化还原CO2的机理,通过对催化剂进行设计,如：能带结构工程(掺杂、配体取代、构建异质结等),形貌结构功能化以及协同催化等方式,实现材料的较强光捕获、较高的气体吸附量、产物选择性、稳定性和光催化效率。并提出了光催化还原CO2的发展趋势。     

两种MOFs材料用于O2/He吸附分离的模拟分析

应用分子模拟中的蒙特卡洛方法研究了HKUST-1和UiO66两种金属-有机框架(MOFs)材料对O₂/He混合气体的吸附分离效果。对两种材料在150K、200K和298K三种不同温度下吸附He和O₂纯气体的吸附等温线进行了模拟计算，同时计算了相应的吸附热和吸附势能分布，然后使用理想溶液吸附理论(IAST)，对三种温度下不同含氦量的O₂/He混合气体在两种MOFs材料中的吸附选择性进行了计算。结果表明：两种材料均对O₂表现出明显优先吸附的特点，对于He体积分数20%、50%和80%的三种O₂/He混合气体，三种温度下HKUST-1对O₂相对于He的选择性吸附系数总体上高于UiO66。两种材料在较低温度下表现出的选择吸附性更加明显，且对O₂相对于He的选择性吸附系数均随压力的提高而降低，同时该系数还随混合气体含氦量增加而提高。针对这些现象，对计算出的吸附热和吸附势能分布曲线进行了分析。     

二价铬/钼/镍空配位MOFs的CH_4/N_2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Cr~(2+)/Mo~(2+)/Ni~(2+)与均苯三酸(H_3BTC)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Ni~(2+)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CH_4/N_2分离潜力;Cr~(2+)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Cu~(2+)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-BTCMo-BTCCu-BTCCr-BTC。     

金属有机化合物用于吸附有害金属的研究进展

随着我国工业的快速发展,重金属、放射性金属污染变的尤为严重,这些金属一旦进入了土壤和水体中,将会对环境造成极大的破坏。它们可以在水体中被水生生物富集,也可以在土壤中被植物吸收,从而通过食物链的传递到人体中,对人的身体健康造成极大的危害。金属-有机骨架(metal-organic frameworks,MOFs)材料是一种比表面积大、孔隙度高、种类多样性、结构可调控等优点的化合物,已成为各学科的研究热点。但相对应用于储备气体来说,MOFs材料用于吸附有害金属的研究还是比较少的,尤其是应用于放射性金属的吸附研究。本文综述了近年来MOFs作为吸附有害金属材料的研究进展,对MOFs材料的合成方法、孔径结构、晶型结构及其对吸附有害金属的吸附条件做了深刻的剖析,并对MOFs材料用于吸附有毒有害金属的前景进行了展望,以期为MOFs材料吸附有害金属的应用提供一定的借鉴和参考。     

金属有机骨架材料吸附去除环境污染物的进展

金属有机骨架材料(MOFs)具有超高的比表面积、较高且可调的孔隙率、结构组成多样性、开放的金属位点和化学可修饰等优点,近年来在选择性吸附领域中的应用受到人们的广泛关注。本文综述了MOFs在液相吸附去除各种环境污染物方面的应用进展,包括吸附去除水中的有机污染物、重金属离子以及吸附去除燃油中的有机含硫化合物和有机含氮化合物;讨论了不同MOFs及改性MOFs对环境污染物的吸附性能及吸附机理,指出MOFs的孔结构、开放的金属位点、静电吸附作用、π-π键合作用、氢键作用、酸碱吸附作用等是影响MOFs吸附过程的重要参数或机理,而通过对MOFs进行有目的的功能化改性可以提升MOFs对目标污染物的吸附性能;最后展望了MOFs吸附去除环境污染物今后的研究热点。     

CO2/CH4 and CH4/N2 separation on isomeric metal organic frameworks☆

Two isomeric metal-organic frameworks(MOFs) with 2-dimensional(2D) and 3-dimensional(3D) topologies both comprised of Cu(Ⅱ) and OTf(OTf = trifluoromethanesulfonate) ions were synthesized and characterized.The CO_2,CH_4 and N_2 adsorption properties of the two isomeric MOFs were investigated from 263 K to 298 K at0.1 MPa.The results showed that the 2D MOF exhibited a higher selectivity for CO_2 from CO_2/CH_4 and CH_4from CH_4/N_2 compared to the 3D MOF,even though it possessed a lower surface area and pore volume.The higher adsorption heats of gases on the 2D MOF inferred the strong adsorption potential energy in the layered MOFs.Dynamic separation experiments using CO_2/CH_4 and CH_4/N_2 mixtures on the two MOFs proved that the2 D MOF had a longer elution time than the 3D MOF as well as better separation abilities.     

耐硫甲烷化催化剂的研究

煤制天然气采用耐硫甲烷化催化剂,减小了反应设备体积,对节省投资和降低能耗有积极意义。采用等体积浸渍法制备系列Mo-Ni/γ-Al2O3耐硫甲烷化催化剂,并对催化剂活性及耐硫性进行评价,考察浸渍液中不同Co和W元素添加量对催化剂活性的影响。结果表明,耐硫甲烷化催化剂活性中心MoS2和WS2的生成有利于提高CO转化率和CH4选择性,促进合成气生成CH4,Co的添加不利于提高催化剂的CO转化率和CH4选择性,而W元素的添加有利于提高催化剂的CO转化率和CH4选择性。在反应温度550℃、压力2 MPa和空速1 800 h-1条件下,n（H2）∶n（CO）=1∶1时,CO转化率为64.24%,CH4选择性为52.00%。n（H2）∶n（CO）=3∶1时,CO转化率为77.90%,CH4选择性为68.41%。     

C02，CH4在全硅MFI型沸石中吸附的分子模拟

采用巨正则蒙特卡洛（GCMC）分子模拟方法研究了CO2,CH4分子在全硅MFI型沸石中的吸附行为,计算得到了纯组分和两组分的混合物在不同温度时的吸附等温线;分析了全硅MFI型沸石对混合组分的选择性吸附;模拟还得到了COz,CHt分子在全硅MFI型沸石中的吸附位。     

修饰的COF-102吸附和分离CO2/CH4的计算机模拟（英文）

Covalent organic framework (COF) is a porous material with low density and large BET (Brun-auer-Emmett-Teller) surface area. They have great potential in gas adsorption and separation. In this work, the ad-sorption of pure CO2 and CO2/CH4 mixture on modified COF-102 was simulated by using GCMC (grand canonical Monte Carlo). Metal Li was incorporated into COF-102 through three doping methods, including charge exchange, O--Li+ dipolar interaction and O--Li+ chemical bonding. The influence of Li doping on the adsorption of CO2 was studied. The results showed that among the three methods, the dipole doping is the best way to improve CO2 ad-sorption performance. Further, the ligands of COF-102 were replaced by extended aromatic moieties, such as di-phenyl and pyrene. The adsorption capacity of CO2 and CH4, and the selectivity of CO2/CH4 on the ligand-replaced COF-102 were studied. The capacity of CO2 and CH4 on the ligand-replaced COF-102 had obvious changes; hence the selectivity of CO2/CH4 can be adjusted accordingly.     

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。     

CH4-N2在MOFs结构材料中的吸附分离性能

针对甲烷氮气的分离难题,通过溶剂热法大量合成了6种典型的由单齿、多齿与多元配体构建的金属有机框架材料,并利用单组分静态与双组分动态吸附法分别研究了甲烷与氮气在材料中的吸附行为。研究结果表明,MOFs材料相对较弱的极性,致使其甲烷氮气的分离选择性明显优于Si/Al分子筛;多齿配体MOFs材料因配体较长,孔道较大,具有与活性炭相当的甲烷氮气分离选择性;MOFs中的不饱和金属位增大了孔道极性,不利于分离性能的提高;单齿甲酸配体构建的超微孔[Ni₃(HCOO)₆]框架具有非常优异的CH₄/N₂分离性能,其选择性高达7.0,是Si/Al分子筛与活性炭的2倍。这为高效甲烷氮气分离材料的设计提供了新的参考依据。     

Adsorption separation of CO2, CH4 and N2 on β-zeolite with different SiO2/Al2O3 ratios

采用体积法在273 K和303 K温度下对CO2、CH4和N2在不同硅/铝比的β沸石上的吸附分离性能进行了研究。实验结果表明,Langmuir-Freundlich模型能够较好地拟合吸附实验数据;同一样品上,CO2的吸附量要大于CH4和N2的吸附量;随着硅铝比的减小CO2的吸附量增加,而硅/铝比对CH4和N2的吸附量的影响较小。通过结合Virial方程计算CO2、CH4和N2在不同硅/铝比β沸石上的亨利定律常数和吸附选择性,发现所研究样品对CO2/CH4和CO2/N2均具有很高的吸附选择性,随着样品硅/铝比的减小,CO2/CH4和CO2/N2的吸附选择性显著增加,说明较低硅/铝比β沸石有利于分离CO2。用Clausius-Clapeyron方程求得CO2、CH4和N2在不同硅/铝比的β沸石上的吸附热与吸附量无关,表明β沸石是一种表面势场均匀的吸附剂。     

沼气变压吸附剂吸附性能比较

研究了工程上常用的3种吸附剂CO2吸附剂硅胶、13X分子筛和碳分子筛在高压(0.1~1 MPa)下对CO2和CH4的吸附容量、稳定性和选择性,以确定其在沼气变压吸附分离中应用的可行性. 结果表明,硅胶的吸附稳定性非常好,0.1 MPa时吸附选择性系数为8~10,能有效分离CH4?CO2;13X分子筛对CH4和CO2吸附容量最高、吸附选择性最好,重复使用5次CO2的吸附容量略有下降;以CH4的损失率作为评价标准时,13X分子筛吸附CH4的损失率最低. 降压不能使被碳分子筛吸附的CH4完全解吸,吸附位不能充分释放,不适用于CH4与CO2的分离.     

MIL系列MOFs材料的合成及应用研究进展

金属有机骨架（Metal．OrganicFrameworks,MOFs）材料是一种新型功能材料。MIL系列材料作为MOFs材料的典型代表之一,有着广泛的应用前景。文章讨论了MIL系列材料的合成方法,总结了MIL系列材料在气体的储存和分离、多相催化、药物的存储和缓释以及光电磁等方面的应用,并对MIL系列新型多功能材料研究的发展趋势进行了展望。     

NiO/MgO整体式催化剂上甲烷部分氧化制备合成气

甲烷部分氧化制备合成气反应过程具有反应速率快、能耗低和H₂与CO物质的量比适用于合成甲醇及F-T合成等优点,是一种有希望替代传统水蒸汽重整的方法。研究在NiO/MgO蜂窝陶瓷整体式催化剂上的甲烷部分氧化过程,主要考察涂层载体、活性组分Ni含量、涂层载体前驱体、焙烧温度和还原温度对催化剂反应性能的影响。采用XRD、H₂-TPR和N2吸附等表征前驱体及其负载活性组分NiO后的晶相、还原特性和吸附性能。结果表明,采用浸渍法制备催化剂时,Mg(NO₃)₂为涂层载体MgO前驱体,在NiO负载质量分数20%、焙烧温度（500~600） ℃和还原温度750 ℃条件下制备的催化剂NiO/MgO-N性能较好,活性较稳定;以NiO/MgO-N为催化剂,在反应温度800 ℃、n(O₂)∶n(CH₄)＝0.5和空速9 723 h^-1条件下,CH₄转化率94.4%,H₂选择性99.9%,CO选择性92.9%。