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。     

GO@MIL-101的制备及其对水中Cr（Ⅵ）的去除

通过水热法制备了掺杂氧化石墨烯（GO）的金属有机框架GO@MIL-101,并考察了GO掺杂量对GO@MIL-101形貌和性质的影响规律。GO的掺杂影响了MIL-101晶体的形成过程。随着GO掺杂量的增加,GO@MIL-101晶体的完整性降低、粒径减小,团聚现象越发显著。GO@MIL-101能够有效去除溶液中的Cr（Ⅵ）,该过程符合拟二级动力学方程。由Langmuir吸附等温线拟合得到的最大吸附量与GO掺杂量有关,在2%[相对于Cr（NO₃）₃·9H₂O质量]时达到最大,这与此时GO@MIL-101同时具有较大的比表面积和较大的孔体积有关。Cr（Ⅵ）的去除过程伴随着溶液中NO₃^-浓度的升高以及pH的下降,电荷平衡计量分析表明MIL-101和GO@MIL-101对Cr（Ⅵ）的去除机制相同,主要依靠MIL-101的离子交换作用,并且所去除的Cr（Ⅵ）以CrO₄^2-形式存在于固相中。     

含开放金属位点MIL-101(Cr)掺杂的混合基质膜制备及其CO2分离性能

以结构中含有开放金属位点的MIL-101（Cr）作为填料与3种不同的聚合物复合制备了混合基质膜,从填料结构、聚合物性质及填料-聚合物界面状况等角度对混合基质膜的CO₂分离性能进行了分析。结果表明,由于MIL-101（Cr）较大的孔道尺寸以及结构中开放金属Cr（Ⅲ）位点与CO₂分子间的Lewis酸碱作用,其掺杂能够同时显著提高PSF膜的CO₂通量及分离因子。而当聚合物渗透性及选择性较高时,MIL-101（Cr）的掺杂仅提高了气体通量,CO₂分离因子则略有降低。当聚合物分子链柔性较大时,MIL-101（Cr）的表面孔道会被分子链堵塞,造成混合基质膜气体通量的显著下降。     

RHO分子筛空分性能评价

RHO分子筛由于独特的孔道结构在O₂/N₂分离方面表现出其特有的性质。采用水热合成法合成Na,Cs-RHO分子筛,进行碱金属离子交换改性,然后利用XRD和SEM对样品进行表征。通过单组分气体吸附实验、Aspen Adsorption软件模拟混合组分穿透曲线实验和双塔PSA空分实验对吸附剂性能进行评价。结果表明:Li-RHO是一种容易通过阳离子调控骨架扭曲程度的分子筛,O₂/N₂平衡分离性能参数最大。穿透曲线实验结果表明,弱吸附组分(N₂)首先穿透吸附床,O₂因强吸附而后穿出,Li-RHO的动力学分离因子很高。Aspen Adsorption模拟结果表明,Li-RHO制得的N₂纯度和回收率最高,可能是一种具有良好应用前景的空分吸附剂。     

氨基MIL-101(Cr)强化CO2分离性能的混合基质膜优化制备

金属有机骨架MIL-101(Cr)是大孔径、高孔隙率的新型膜材料,可显著提升混合基质膜的CO₂渗透性,但其掺杂会明显降低选择性,有两方面原因：有机配体的CO₂亲和性较低;填料干燥活化后再分散性差,易团聚形成缺陷。对此,首先以氨基对苯二甲酸为配体合成氨基MIL-101(Cr),提高溶解选择性,再采用先浇铸-后活化的制膜工艺,减少团聚缺陷。红外测试表明氨基填料成功合成;扫描电镜表明膜中填料分布均匀。掺杂15%(质量)氨基MIL-101(Cr)的乙基纤维素混合基质膜,CO₂渗透系数达到200 barrer,比MIL-101(Cr)膜提高11.2%,较纯聚合物膜提高133.1%;同时,CO₂/N₂选择性达到23.9,比MIL-101(Cr)膜提高25.8%,较纯聚合物膜提高17.1%。综上,采用先浇铸-后活化的制膜工艺掺杂氨基MIL-101(Cr)填料,可同时提高混合基质膜的CO₂渗透性和选择性。     

CH4-N2在自支撑颗粒型Silicalite-1上的吸附分离及PSA模拟

纯硅分子筛Silicalite-1原粉（Si/Al>470）在6 MPa压力下制成自支撑颗粒状吸附剂,经XRD和77 K氮气吸脱附表征表明自支撑颗粒型的Silicalite-1保留了原粉的晶体结构和比表面。静态重量法测试了273/298/313 K下CH₄和N₂在其上的吸附等温线,利用理想吸附溶液理论（IAST）法计算了吸附剂对CH₄/N₂的选择性。动态气体穿透实验测试了颗粒型Silicalite-1吸附剂对不同浓度CH₄/N₂混合气的分离效果,结果表明该吸附剂更适合于低浓度甲烷（20%/80% CH₄/N₂）的富集脱氮。通过总传质模型利用数值模拟预测了颗粒型Silicalite-1吸附剂的变压吸附分离（PSA）富集低浓度煤层气中甲烷的效果。模拟结果显示20%/80%的CH₄/N₂混合气经一次提浓,CH₄浓度可以提升至37%~41%,回收率达到60%~92%;30%/70%的CH₄/N₂混合气经一次提浓,CH₄浓度可以提升至50%~53%,回收率达到58%~92%。     

单分散Co3O4@SiO2核壳催化剂的制备及N2O催化分解性能

N₂O是一种重要的温室气体,且对臭氧层有很大的破坏作用,而直接催化分解法是除去N₂O最经济有效的方法之一。针对目前报道较多的钴氧化物催化剂活性较差的问题,将包覆型Co₃O₄核壳材料引入N₂O直接催化分解反应,利用核壳结构的限域特性与壳层的多孔孔道使Co₃O₄分散性增加,粒径减小,金属载体相互作用与接触反应界面增强,从而提高了催化剂在N₂O直接催化分解反应中的低温活性。此外,还制备了一系列不同金属含量的Co₃O₄@SiO₂球形核壳催化剂来研究包覆结构对催化剂性能的影响,通过X射线荧光光谱（XRF）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、N₂物理吸附、H₂-程序升温还原（H₂-TPR）等表征,证实在保证稳定单分散核壳结构的前提下,活性Co₃O₄位点越多,催化剂反应活性越好。     

多孔石墨烯气体分离膜分子渗透机理

通过分子动力学方法模拟了4种不同气体分子（He,H₂,N₂和CH₄）在多孔石墨烯气体分离膜中的穿透过程,揭示了气体分子穿透石墨烯纳米孔的渗透机理,指出分子的渗透不仅与其动力学参数有关,如分子直径和质量,还与分子在石墨烯表面的吸附有关。石墨烯表面的吸附层给气体分子的渗透提供了一个额外的路径,因此分子在石墨烯表面的吸附越强,分子的渗透通量越大。同时,不同大小的纳米孔下H₂分子的渗透通量都随着压力的增加而线性增加。     

磁性金属有机框架材料制备及吸附性能研究

利用简单的溶剂热法合成了MIL-101（Fe）/CoFe₂O₄和MIL-101（Fe）/NiFe₂O₄磁性金属有机框架纳米复合材料。通过X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、振动磁强计（VSM）、热重分析仪（TGA）和紫外可见分光光度计（UV）等对复合材料的相结构、形貌、磁性能和吸附性能进行了研究。将磁性金属有机框架材料用于吸附污水中罗丹明B（RhB）,研究了罗丹明B初始质量浓度对复合材料吸附能力的影响。结果表明,制备的磁性金属有机框架复合材料的形貌均匀、结晶度高,具有高的饱和磁化强度。复合物具有金属有机框架材料和磁性材料的双重优点。MIL-101（Fe）/CoFe₂O₄对罗丹明B有较高的吸附能力（97.3 mg/g）。热力学研究发现吸附等温方程符合Langmuir模型,吸附动力学研究表明吸附机制与吸附质和吸附剂有关。磁性金属有机框架纳米复合材料作为污水处理剂将具有广阔的应用前景。     

乙醇在MIL-101上的吸附相平衡及其吸附机理

主要研究了MIL-101材料对乙醇的吸附性能和吸附机理。采用水热合成法制备了MIL-101(Cr),并分别应用N₂静态吸附、X射线粉末衍射(PXRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)等分析手段对MIL-101晶形结构、孔隙结构参数进行分析表征。应用静态吸附法测定乙醇和水蒸气在不同温度下的吸附等温线,并讨论乙醇吸附在MIL-101(Cr) 4种吸附位的机理,根据吸附等温线估算出乙醇和水蒸气在MIL-101上的等量吸附热,并测试了乙醇在MIL-101上的吸附循环性能。研究表明,在298 K下,MIL-101的乙醇吸附容量为20.3 mmol·g^-1,远高于传统吸附材料。在低压下MIL-101对乙醇的吸附量高于水蒸气的吸附量,这是由于乙醇的偶极矩和分子动力学直径均比水大,使得乙醇分子在孔道中受到更大吸附力场作用;在低吸附量范围,乙醇在MIL-101上的等量吸附热要高于水蒸气的等量吸附热。在较高吸附压力条件下,主要发生多层吸附或孔填充,受吸附剂的孔容限制效应,尺寸越大的分子被吸附的物质的量会越少,由于乙醇的动力学直径(0.45 nm)大于水分子的动力学直径(0.268 nm),所以在较高吸附压力下乙醇在MIL-101上吸附量要小于水蒸气的吸附量。多次吸附脱附等温线测试显示MIL-101具有良好的乙醇吸附循环性能。     

Conversion of CO into CO2 by high active and stable PdNi nanoparticles supported on a metal-organic framework

The solubility of Pd(NO₃)₂ in water is moderate whereas it is completely soluble in diluted HNO₃ solution. Pd/MIL-101(Cr) and Pd/MIL-101-NH₂(Cr) were synthesized by aqueous solution of Pd(NO₃)₂ and Pd(NO₃)₂ solution in dilute HNO₃ and used for CO oxidation reaction. The catalysts synthesized with Pd(NO₃)₂ solution in dilute HNO₃ showed lower activity. The aqueous solution of Pd(NO₃)₂ was used for synthesis of mono-metal Ni, Pd and bimetallic PdNi nanoparticles with various molar ratios supported on MOF. Pd₇₀Ni₃₀/MIL-101(Cr) catalyst showed higher activity than monometallic counterparts and Pd+ Ni physical mixture due to the strong synergistic effect of PdNi nanoparticles, high distribution of PdNi nanoparticles, and lower dissociation and desorption barriers. Comparison of the catalysts synthesized by MIL-101(Cr) and MIL-101-NH₂(Cr) as the supports of metals showed that Pd/MIL-101-NH₂(Cr) outperforms Pd/MIL-101-(Cr) because of the higher electron density of Pd resulting from the electron donor ability of the NH₂ functional group. However, the same activities were observed for Pd₇₀Ni₃₀/MIL-101(Cr) and Pd₇₀Ni₃₀/MIL-101-NH₂(Cr), which is due to a less uniform distribution of Pd nanoparticles in Pd₇₀Ni₃₀/MIL-101-NH₂(Cr) originated from amorphization of MIL-101-NH₂(Cr) structure during the reduction process. In contrast, Pd₇₀Ni₃₀/MIL-101(Cr) revealed the stable structure and activity during reduction and CO oxidation for a long time.     

胺功能化MIL-101(Cr)@SiO_2@Fe_3O_4催化剂及其Knoevenagel反应性能

采用溶剂热法在纳米SiO_2@Fe_3O_4磁性颗粒表面原位合成MIL-101(Cr),制备磁性MIL-101(Cr)@SiO_2@Fe_3O_4催化剂。采用甲胺、乙二胺和丁二胺对制备的磁性催化剂进行功能化,得到胺功能化NH2-MIL-101(Cr)@SiO_2@Fe_3O_4催化剂。利用XRD、FT-IR、BET、SEM、TEM和VSM等对催化剂结构进行表征,评价胺功能化NH2-MIL-101(Cr)@SiO_2@Fe_3O_4催化剂对糠醛和氰乙酸乙酯Knoevenagel缩合反应性能和重复使用性能,考察反应条件与催化性能的关系。结果表明,制备的新型胺功能化NH2-MIL-101(Cr)@SiO_2@Fe_3O_4催化剂具有MIL-101(Cr)的结构特征和良好的超顺磁性能,对糠醛和氰乙酸乙酯Knoevenagel缩合反应表现出很好的催化性能,其中,乙二胺功能化30%MIL-101(Cr)@SiO_2@Fe_3O_4催化剂对Knoevenagel缩合反应的性能最佳,在反应温度40℃和反应时间1 h条件下,氰乙酸乙酯转化率为97. 0%,产物选择性接近100%。反应后磁性催化剂可以通过外磁场容易进行分离,重复使用5次,氰乙酸乙酯转化率仍大于93%。     

L酸/B酸可调的磺酸功能化MIL-101(Cr)材料催化葡萄糖脱水 制备5-羟甲基糠醛

以九水合硝酸铬和单磺酸钠对苯二甲酸为原料,水为溶剂,采用水热法合成系列磺酸功能化MIL-101（Cr）,通过调节反应温度和时间,合成不同Lewis/Brönsted催化位点比例的磺酸功能化MIL-101（Cr）,采用PXRD、EDX、SEM、ICP-AAS及BET比表面积分析等技术对材料进行综合表征,并研究磺酸功能化MIL-101（Cr）催化葡萄糖脱水制备5-羟甲基糠醛的催化活性。催化反应动力学研究结果表明,MIL-101（Cr）-SO₃H中的Cr（Ⅲ）作为葡萄糖异构化反应的Lewis酸位点,－SO₃H作为果糖脱水反应的Brönsted酸催化位点,当催化剂的Brönsted酸和Lewis酸的摩尔比为1.1时,150℃下反应,5-羟甲基糠醛的选择性最高可以达到47.15%,5-羟甲基糠醛的产率最高达到46.0%。     

氨气改性的NH3@MIL-53(Cr)吸附CO2和CH4的性能

采取水热法成功合成MIL-53（Cr）晶体,分别应用0.1、1、3 mol·L^-1的氨气对MIL-53（Cr）进行改性,制得系列的NH₃@MIL-53（Cr）-1#,NH₃@MIL-53（Cr）-2#,NH₃@MIL-53（Cr）-3#。实验结果表明：与原始的MIL-53（Cr）晶体相比,尽管制得NH3@MIL-53（Cr）系列材料的比表面积依次减少,但其单位比表面积的CO₂吸附容量大小依次为：NH₃@MIL-53（Cr）-3#>NH₃@MIL-53（Cr）-2#>NH₃@MIL-53（Cr）-1#。表明氨气改性会使得材料表面的碱性增强,从而增强了其对酸性气体CO₂的吸附。此外,改性后的NH₃@MIL-53（Cr）对水蒸气的吸附量明显减少,表明其憎水性能得到改善。较高浓度氨气改性会导致材料的比表面积大幅下降,会引起单位质量吸附剂的吸附容量下降。用1 mol·L^-1浓度的氨气改性得到的NH3@MIL-53（Cr）-2#,不仅对CO₂的吸附容量最大,而且对CH₄的吸附容量明显下降,这将有助于进一步提高改性材料NH3@MIL-53（Cr）-2# 对CO₂/CH₄的吸附选择性。     

Low-pressure chemical and photochemical reactions of oxides of nitrogen on alumina taken as a model substance for mineral dust in relation to air pollution

The interaction of γ-Al₂O₃, taken as a model substance of tropospheric mineral dust, with N₂O, NO and NO₂ has been studied using kinetic and temperature-programmed desorption (TPD) mass-spectrometry in presence and absence of UV irradiation. At low surface coverages (<0.001 ML), adsorption of N₂O and NO₂ is accompanied by dissociation and chemiluminescence, whereas adsorption of NO does not lead to appreciable dissociation. Upon UV irradiation of Al₂O₃ in a flow of N₂O, photoinduced decomposition and desorption of N₂O take place, whereas in a flow of NO, only photoinduced desorption is observed. Dark dissociative adsorption of N₂O and NO and photoinduced N₂O dissociation apparently occur by a mechanism involving electron capture from surface F- and F⁺-centers. Photoinduced desorption of N₂O and NO may be associated with decomposition of complexes of these molecules with Lewis acid sites, V-centers or OH-groups. TPD of N₂O and NO proceeds predominantly without decomposition, while NO₂ partially decomposes to NO and O₂.     

不同氨基修饰条件对NH2-MIL-53(Al)CO2吸附性能的影响

采用水热合成法,通过改变配体中2-氨基对苯二甲酸的含量制备了不同氨基含量的NH₂-MIL-53（Al）,考察了氨基含量,氨基功能化方法和氨基种类对NH₂-MIL-53（Al）的CO₂吸附性能的影响。傅里叶变换红外光谱表征（IR）发现在3500～3900 cm^-1处存在-NH₂基的伸缩振动带,氨基修饰成功。低压下,NH₂-MIL-53（Al）的CO₂吸附容量随氨基含量的增加而增大,且当氨基含量100%时,其CO₂吸附性能优于直接合成的NH₂-MIL-53（Al）。合成前修饰比合成后修饰,更有利于提高CO₂吸附容量。采用乙醇胺、1,8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯、N,N'-二亚乙基三胺进行后氨基功能化都不能提高MIL-53的CO₂吸附能力。