[发明专利]高容量甲烷存储材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及能源气体吸附存储领域，公开了一种高容量甲烷存储材料及其制备方法和应用。本发明的高容量甲烷存储材料的制备方法包括以下步骤，1)在水存在下，使醋酸盐与三价铁盐和二价金属盐进行第一接触反应后进行第一固液分离，得到第一固相；2)在有机溶剂存在下，使步骤1)得到的第一固相与羧酸配体和乙酸进行第二接触反应后进行第二固液分离，得到第二固相；3)将步骤2)得到的第二固相进行热处理，其中，所述羧酸配体包括偶氮苯‑4,4'‑二甲酸和4,4'‑二苯乙烯二甲酸。本发明的高容量甲烷存储材料具有很高的化学和热稳定性及很高的甲烷吸附容量。

技术领域

本发明涉及能源气体吸附存储领域，具体涉及一种高容量甲烷存储材料及其制备方法和应用。

背景技术

能源与环境是当今社会发展的两大重要主题，寻求高效、清洁、绿色的能源载体一直是人们追求的目标。天然气(主要成分甲烷)是一种清洁环保、经济的化石能源，因其存储量大、来源广泛，且具有相对较高的能量密度，是目前主要的替代能源之一。天然气在汽车上的使用，对于改善我国能源结构、缓解石油市场日益紧张的供应关系、保护生态环境、实现国民经济和社会的可持续发展具有重要作用。然而，天然气的存储密度和能量密度偏低，直接影响天然气在汽车上的存储等。因此，安全、经济、高容量的车载天然气储存系统是天然气汽车发展过程中所面临和必须要解决的关键技术。

目前，天然气的储存主要采用液化天然气(Liquid Natural Gas，LNG)，压缩天然气(Compressed Natural Gas，CNG)和吸附天然气(Adsorbed Natural Gas，ANG)三种方式。液化天然气需要低温下存储(112K)，压缩天然气需要使用耐高压(约20MPa，储气量200V/V)储罐，均存在成本投入大和安全隐患。而吸附天然气存储是指在常温、中低压(3MPa-5MPa)条件下，利用装在汽车储气罐中的吸附剂，吸附存储天然气的技术。使用吸附存储技术不仅降低汽车储罐的投入和维修成本，而且提高安全可靠性。吸附剂是吸附存储技术的核心和关键，包括活性炭、硅胶、分子筛、金属有机骨架材料等。由于分子筛较低的比表面积(1000m²/g)和较大的颗粒尺寸导致对甲烷的储存能力较差。活性炭因其较高的表面积和微孔体积、合适的孔径分布以及低制备成本被认为是最有希望商业应用的甲烷储存吸附剂。但活性炭的孔隙结构比较复杂，虽然对甲烷具有较高的吸附容量，但是脱附过程较为困难，而且吸附过程中放热严重，存在安全隐患。

金属有机骨架(Metal-Organic Framework,MOF)材料是有机配体与金属离子间自组装形成的一类多孔材料。与分子筛、活性炭等传统吸附材料相比，MOFs材料具有比表面积大、孔隙率高、孔径均匀可调、不饱和金属位点等特点，是一类具有广阔应用前景的甲烷吸附材料。利用低密度、高比表面积的MOFs材料吸附存储天然气不仅能够缓解能源危机和避免化石燃料不合理使用引起的环境污染问题，还能解决使用液化天然气和压缩天然气存在的高成本投入和安全隐患，对促进我国经济、安全与环境协调发展具有重要意义。

经过20余年的发展，科学家们合成了大量新型的MOFs材料并用于甲烷的吸附存储。另外，也考察了MOFs材料对甲烷气体的吸附热力学与动力学、存储的理论模拟等，使MOFs材料更加接近于实际应用要求。然而，对于MOFs材料在甲烷存储方面的实际应用，许多关键的科学与技术问题还有待进一步解决，具有高效存储能力的新型MOFs材料还有待进一步开发。如专利CN101935277公开了一种多孔稀土金属有机骨架材料用于天然气(甲烷)的存储。该金属有机骨架材料对甲烷存储能力较低、并以特种稀土元素为中心金属离子也增加了材料制备成本，不利于大规模应用。

因此，需要一种制备成本低、甲烷存储量高的甲烷存储材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高甲烷吸附容量且制备成本低的高容量甲烷存储材料及其制备方法和应用。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种甲烷存储材料的制备方法，该方法包括以下步骤，