[发明专利]一种复合材料的制备方法、该复合材料及其应用

说明书

本发明公开了一种复合材料的制备方法、产品及应用，该方法将前驱体溶液浸渍到聚合物颗粒内部，实现MOFs一次成型的原位负载，并且通过调节金属盐与有机配体浓度和添加调节剂的方式对多孔复合材料进行结构设计，实现对MOFs晶体尺寸的调控。该方法制备的复合材料能够利用相互连通多级孔结构的聚丙烯酰胺材料的空间结构优势，结合孔壁上活性氨基，实现纳米MOFs层的均匀铺展，大大提高了材料在水蒸气捕集中的传质速率和吸附效率，可以适用于不同湿度环境下的水蒸气捕集。该方法具有制备方式简单、成型容易、机械强度高，适用于工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种无机-有机复合材料，特别涉及一种装载MOFs的有机多孔聚合物复合材料的制备方法、该复合材料及其应用。

背景技术

水资源短缺是威胁人类生命的最具挑战性的问题之一。全球三分之二的人口一年中至少有一个月生活在缺水的状况下。更糟糕的是，地球上每年有五亿人面临严重的水短缺。大气层保留了129,000亿吨的淡水，相当于地球上所有湖泊的10％的水，是非常宝贵的自然资源。鉴于人口的快速增长，清洁水的普遍短缺，以及水资源污染，收集大气水以生产淡水正在成为一种替代且有希望的方法，特别是在干旱地区。有多种收集空气水的方法，例如，雾气收集，制冷收集和吸附。雾气收集和制冷收集仅在非常有限的区域内可行，因为需要持续较高的环境相对湿度(RH)(大于40％)或需要外界电力供给。基于吸附的方法是使用吸水剂从空气中吸收水蒸气，然后加热饱和的吸水剂以释放并冷凝水。这种基于吸附的方法最吸引人的优势是它能够在没有电的情况下从湿度甚至低于20％的干燥空气中生产水。

沸石、硅胶和金属-有机骨架(metal-organic frameworks，MOFs)等多孔吸附材料可以在很宽的湿度范围内从空气中通过吸附收集水。然而，常规的吸附剂(例如沸石和硅胶)受限于需要消耗大量的能量来释放水。理想情况下，集水系统应使用能吸收和释放水能量最低的材料，并由低等级能源(例如阳光)提供动力，以便能够推广应用。尽管MOFs已在许多领域中得到应用，包括气体存储、分离和催化、药物传递、传感等，但仅在最近才提出将MOFs用于集水。MOFs可以在分子水平上制备和修饰的灵活性，再加上超高的孔隙率，大的比表面积使其非常适合克服上述挑战。在实验室和在某些特定的野外条件下，一些MOFs由于具有出色的水蒸气吸附能力，在常规的日光照射条件下从干燥空气中输送了饮用水。文献Science 2017，356,430-434报道了一种锆基MOF在相对湿度仅为20％的环境空气中通过蒸气吸附来收集水的方法。文献J.Am.Chem.Soc.2014，136,4369-4381采用UiO-66进行水蒸气捕集，适用于相对湿度为40％的区域，但都受限于吸附容量不高的问题。

除此之外，众所周知MOFs是纳米晶或者微晶结构，尺寸很小，不易成型，由于堆积效应会造成传质速率减慢，而且还存在机械性能差、回收难度大的问题，限制了MOFs材料在吸附上的应用，成为在工业生产中亟待解决的难题之一。将MOFs材料复合到其他材料之中，既可以得到稳定的外壳保护作用，也可以使MOFs在基材上实现均匀铺展，取得更高效的吸附性能。公开号CN 103372420 A的申请文件公开了一种金属有机框架与氧化石墨烯复合材料的制备方法，该方法将氧化石墨烯浸渍在金属盐和有机配体的溶液中制备得到复合材料，该方法制备的复合材料增强了CO₂选择性和MOFs的结构稳定性。CN106000351A公开了一种用多孔聚合物负载MOFs作为吸附材料，其存在的问题是需要先将聚合物基体进行改性，然后再需要将金属盐和配体溶液与聚合物材料进行先后浸渍，操作步骤繁琐，根据其粒径可以看出其是粉末结构，因此负载难以均匀，而且只是将聚合物与MOF晶体进行复合没有实现双协同的效果。

目前大多是MOFs与各种材料的复合，存在的问题就是复合难度大，MOFs铺展不均匀。如果将MOFs晶体嫁接到具有相似性能的聚合物材料中，合成一种具有协同效果的吸附剂，将大大提高MOFs材料的应用价值。

发明内容