[发明专利]一种用于高效二氧化碳/氮气选择性分离吸附的金属有机框架材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于高效CO₂/N₂选择分离吸附的金属有机框架材料及其制备方法。其制备方法是先采用交叉耦合反应得到有机配体，其次采用溶剂热方法得到均相晶体材料，然后采用沸点较低的无水丙酮进行多次溶剂交换，最后在较高真空状态下去除材料孔洞内的溶剂分子从而得到活化后的晶体材料。该材料首次实现了N₂的零吸附，具有极高的CO₂/N₂选择性分离吸附性能，且具有较低的等温吸附焓，重复使用成本低，此外，本发明的材料具有优异的化学稳定性与热稳定性，极大地满足实际应用领域对CO₂/N₂选择分离吸附材料的多方面要求，在CO₂/N₂选择分离吸附领域以及缓解温室效应方面具有极大的应用前景。

技术领域

本发明属于气体吸附与分离系统的制备，具体涉及一种稳定性极高的金属有机框架材料及其制备方法，该材料可用于高效CO₂/N₂选择性分离吸附。

背景技术

随着科技的发展和人类生活水平的提高，人类对化石能源的需求日益增长，由此带来严重的能源危机与环境污染。环境污染的主要表现之一就是温室效应。自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，引发了全球气候变暖等一系列严重问题，引起了全世界各国的关注。因此，缓解并解决温室效应刻不容缓。空气中释放的二氧化碳主要来自燃料发动机的尾气，其主要成分是75％的氮气、10～15％的二氧化碳和7％的水蒸气以及少量的氧化性腐蚀性气体。因此，高效的实现CO₂/N₂选择分离吸附是二氧化碳吸附剂的主要评判标准。传统的二氧化碳吸附材料主要来自一些氨溶液。这些传统的二氧化碳吸附剂虽然具有较高的吸附量，但存在难以重复使用或者重复使用成本高的缺点，因而逐渐被其他新兴的多孔材料取代。

金属有机框架材料(Metal-organicFramework，MOFs)是由有机配体与金属离子或者离子团簇经过自组装形成的一维、二维或者三维的周期性多孔材料。作为一类新型有机-无机杂化晶态多孔材料，金属有机框架材料凭借其不可替代的优势引起了社会各界的广泛关注。相比于分子筛与活性炭等传统的多孔吸附材料，金属有机框架材料具有超高比表面积和孔体积、可调节孔径尺寸、易于功能化等一系列优势。这些显著的优势使得金属有机框架材料在气体存储与分离领域显示出巨大的应用潜力。

至今，金属有机框架材料作为二氧化碳吸附剂已有诸多报道。目前，金属有机框架材料主要通过两种途径达到CO₂/N₂的选择性分离吸附。一种是通过孔洞内引入氨基等碱性官能团的化学吸附方式，另一种是通过孔径/窗口尺寸调节的物理吸附方式。前者可以相对容易地达到较高的CO₂/N₂选择性分离吸附，但是存在重复使用成本较高的弊端，该弊端可以很好地被后者规避。然而，物理吸附却很难做到孔径/窗口尺寸调节得恰到好处因而在实现高效CO₂/N₂选择性分离吸附方面存在瓶颈。本发明设计了一种全新的有机配体并利用此配体成功合成了一种氨基配位的稳定性较高的金属有机框架材料，该材料首次实现了氮气的零吸附，因而具有非常高的CO₂/N₂选择性分离吸附性能，同时具有较低的等温吸附焓，因而重复使用成本低。除此，经过实验证实，该材料具有优异的化学稳定性与热稳定性，最大程度上满足了实际应用领域对二氧化碳吸附剂的多方面要求，极大地推进了金属有机框架材料在气体吸附与分离方面以及缓解温室效应方面的应用进展。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种氨基配位的稳定性极高的金属有机框架材料及其制备方法，该材料可用于高效CO₂/N₂的选择分离吸附。

本发明采用如下技术方案：