金属有机骨架材料孔道中三键聚合用于CO_2吸附和分离的研究

【摘要】：二氧化碳的主要来源是化石燃料的燃烧,目前二氧化碳的大量排放已经引起了很大的环境问题。当前对于电厂燃烧后二氧化碳的捕捉相对成熟的方法是利用醇胺溶液对CO_2进行化学吸附,但是由于从生成的氨基甲酸盐到醇胺溶液的再生需要消耗大量的能源,这种方法不可避免的导致了能量的巨大浪费。在CO_2捕获的方法中,基于多孔材料的物理吸附方法具有经济、环境友好、高效等优势以及极好的应用前景。金属有机骨架材料(metal organic framework,MOF)作为一种新型的结晶多孔聚合物材料,是由金属离子或者金属团簇通过有机配体连接起来形成的一维、二维或者三维网状结构,兼具无机和有机材料的优点。由于MOF材料具有较高的孔隙率、有序的开放孔道、结构的多样性以及丰富的官能团,因此它在气体储存与分离方面有着显著的效果。在实际应用中,火力发电厂化石燃料燃烧后的烟气成分,除了含有75%的N_2和15%的CO_2外,还含有5%-7%的水,这5%-7%的水对于二氧化碳的吸附有很大的影响。因为水分子有很高的极性和结合能,MOF材料的活性吸附位点很容易被少量的水占据,会在二氧化碳的吸附过程中产生很强的竞争作用。这样就使得在少量水存在的情况下降低了MOF对二氧化碳的吸附性和选择性。另一方面,水分子的存在也容易使MOF材料的骨架结构坍塌,这也会降低二氧化碳的吸附量和选择性。针对以上问题,本文设计合成了一种提高金属有机骨架材料水稳定性和二氧化碳吸附能力与选择性的方法,该方法操作简单、加工成型速度快、原料成本低廉。各个章节的主要内容概括如下:在第二章中,我们开发了邻二炔基苯单体在金属有机骨架材料MOF-5孔内原位聚合分割MOF孔道的方法,研究发现聚合之后材料对二氧化碳的吸附能力及CO_2/N_2选择性大幅提高。从实验结果可以看出聚合之后具有1.2 nm孔宽(MOF-5的孔宽)的孔道孔容大幅降低,而具有0.6 nm孔宽的孔道孔容大幅增加。聚合之后,单体负载量为15%的聚合产物(PN@MOF-5)在273 K、760 Torr下CO_2的吸附量由MOF-5的38 cm~3 g-1升高到78 cm~3 g-1,CO_2/N_2的吸附选择性比MOF-5增加了23倍。研究发现,随着单体负载量的提高其水稳定性也逐渐增强。PN@MOF-5在40%湿度下保存40 h后孔隙率和结晶性都没有发生改变。PN@MOF-5疏水性显著增强,接触角由MOF-5的0°提高到135°。我们进一步探究了孔内聚合对于二氧化碳吸附和选择性提高的机理,认为其吸附分离性能提升是由以下两个方面原因共同导致的:一是由于孔内生成的聚萘线性高分子把MOF材料孔道分割成了更小的适合捕获二氧化碳分子的孔道,二是由于在孔内暴露了更多的芳环的表面和边缘。第三章中,我们探究了邻二炔基苯在UMCM-8及MOF-74-III孔道内聚合,验证了孔内聚合对于MOF性能提升的普适性。通过二炔基苯在UMCM-8孔道内聚合实现了对二氧化碳的吸附能力及CO_2/N_2选择性增加,同时产物的稳定性和疏水性也得到提高。MOF-74-III孔道聚合后产物的接触角由原来MOF-74-III本身的0°提高到146°。