[发明专利]一种导热增强型金属有机框架气体存储材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合材料和工业气体存储工业领域，具体涉及一种用于工业气体吸附存储的导热增强型金属有机框架材料的制备方法。

背景技术

随着我国经济的迅猛发展以及我国作为全球制造业大国的崛起，作为国民经济基础工业要素之一的工业气体行业在国民经济中的重要地位和作用日益凸显。由于工业气体的密度小，需要将其压缩才能够储存和输送，，常见的存储方法主要有压缩气体(在－50℃下加压包装完全是气态的气体；这一类别包括临界温度小于或等于－50℃的所有气体)、液化气体(在温度大于－50℃下加压包装部分是液态的气体、溶解气体(加压包装溶解于液相溶剂中的气体)、冷冻液化气体(由于其温度低而部分呈液态的气体)等。但是这些存储方式仍有许多安全隐患，例如需要高压、低温等存储条件，同时，对气体压缩、储存的相应设备要求也非常高。

基于吸附原理的新型气体存储方式得到了广泛的关注并迅速发展起来。通常在室温、中低压(<6MPa)条件下，气体能够自动吸附在多孔材料的内表面，且主要发生物理吸附。吸附作用发生的原因是气体分子与固体吸附剂原子之间的作用力。基于吸附的气体存储过程中，选择适宜的吸附剂可以实现在储罐压力低于外界压力时，气体被吸附在吸附剂固体微孔的表面，借以储存；外界压力低于储罐压力时，气体从吸附剂固体表面脱附释放以供应外界需要。其中，气体吸附量是最重要的技术指标，其大小主要取决于吸附剂的孔结构和比表面积。在一定范围内，吸附剂的储气量随比表面积的增加而增大。同时，孔径的大小也影响着气体的净储存量，孔径太大，则孔壁的吸附势小，难以有效吸附气体分子，对增加气体储存密度没有明显的作用；若孔径太小，则吸附的气体分子与孔壁结合力太强，在释放压力下难以脱附，从而减小了有效储气量，因此要得到较高的有效储存量。就必须对吸附剂比表面积和孔径进行优化匹配。金属有机框架材料(MOFs)是由金属节点和有机配体连接而成的具有无限网络结构的骨架材料，具有大比表面积、高孔隙率的特点，最重要的是，MOFs材料的孔径及拓扑结构具有非常灵活的可调控性，可以针对工业气体吸附应用来设计制备其对应的最佳材料，因此MOFs材料被认为是最有推广前景和应用价值的气体存储用吸附剂。

但是，由于气体吸附与脱附过程中伴随着明显的热效应，气体的吸附和脱附可被看作是可逆的过程，吸附过程放热对气体吸附量的提高有不利影响，同时脱附过程中明显的温度降低也将影响气体的释放效率。所以提高吸附剂的导热性能也是推进气体吸附存储技术发展的重要因素。而MOFs材料具有独特的可后修饰的特性，能够通过有机合成手段在已制备的MOFs材料中进行进一步修饰，增加活性位点等。基于金属有机框架材料以上特点，开发一种新型金属有机框架材料作为气体吸附剂，用于解决气体吸附领域存在的由于吸脱附过程产生热效应而降低气体有效吸附量的问题，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于通过“一锅”法在MOFs材料孔道内部进行合成后修饰并固载金属纳米粒子，获得一类新型导热增强型气体吸附材料，通过金属纳米粒子的高热导率强化热量沿MOFs材料骨架上的传导，从而实现气体吸脱附过程中产生的热量通过吸附剂材料快速传递与扩散，从而解决工业气体存储领域长期存在的吸脱附过程中由于温度变化大，导致的吸附量降低和脱附残余量增加的问题。

本发明技术方案是：1)首先通过调整金属源与有机配体的种类等参数，制备一类微孔比例高，比表面积大的金属有机框架材料。2)通过“一锅”法实现对金属有机框架材料的合成后修饰及孔道内部金属纳米粒子的固载。通过在上述有机金属框架材料孔道内部采用精细有机合成手段进行后修饰，调控孔道的极性及所含官能团，随后加入金属纳米粒子前驱体溶液，在孔道内部固载金属纳米粒子以增强其导热性能，实现对工业气体吸附与脱附过程中产生的热量快速传递的目的。

一种导热增强型金属有机框架气体存储材料的制备方法，具体制备步骤为：

(1)金属有机框架材料的制备：

将金属源前驱体和有机配体如羧酸类或吡啶类溶解或分散于一定的溶剂中，根据不同需要加入特定的添加剂，在室温或40～120℃条件下搅拌或超声10min～240min，然后在特定的容器中温度为10～1000℃、无压力或压力为1MPa～1GPa条件下反应1～120h。将产物离心洗涤，在40～150℃下干燥2～72h后得到金属有机框架材料。其中，金属源前驱体，有机配体和添加剂的摩尔比为1～50：1～50：0～50。

(2)金属有机框架材料的“一锅”法合成后修饰及金属纳米粒子的原位还原：