[发明专利]一种全纳米多孔MOF/HOF复合膜、制备方法及其在气体分离中的应用

说明书

一种全纳米多孔MOF/HOF复合膜、制备方法及该膜在气体分离中的应用，属于膜材料及其分离技术领域。本发明采用水热法合成粒径在100nm左右的多孔ZIF‑8颗粒，通过超声的方法将不同量的ZIF‑8均匀分散在UPC‑HOF‑6铸液中，再采用溶液浇筑—溶剂蒸发的方法得到一系列不同组成比例的复合膜，其包括ZIF‑8的制备、HOF前驱体NBP‑DAT的制备和MOF/HOF复合膜的制备等三个步骤。扫描电镜结果显示复合膜表面粗糙，存在不同大小的颗粒物质，推测是掺入的ZIF‑8颗粒。渗透性能对比图显示，不同组成比例的MOF/HOF复合膜对H₂/N₂均存在一定的选择性，随着ZIF‑8掺入量的增加，气体渗透率增大，分离选择性下降，从而表明本发明复合膜可以用于气体分离。

技术领域

本发明属于膜材料及其分离技术领域，具体涉及一种全纳米多孔MOF/HOF 复合膜、制备方法及该膜在气体分离中的应用。

背景技术

分离具有相似物理或化学性质的气体分子在工业上具有重要意义。通常所采用的分离技术是低温蒸馏技术，占到所有分离物的90％～95％。但是这种技术需要消耗大量的能量，而且在分离具有相似的压缩性和沸点的气体分子时比较困难。用一个相对低能耗的过程来代替能源密集型的蒸馏技术，可以达到显著的节能效果。新型的膜分离技术以其能耗低、操作简单、占地小、效率高等优势在气体分离领域得到了越来越广泛的研究，在解决能源和环境挑战方面具有巨大潜力。渗透率和分离比是衡量膜性能两个最重要的参数，高的膜分离比能够省去多余的处理过程，简化操作流程，降低操作成本，同时增大渗透率对应的增大了产量，能够减小膜面积和膜部件的使用以及能量的损耗。

目前商业应用最为广泛的膜材料是高分子膜，该膜材料成本低、可加工性好。但是由研究数据表明，传统的高分子膜在进行气体分离时渗透率和选择性之间会存在“trade-off”效应，这是高分子膜分离机制和膜自身孔径分布宽、缺乏有序性的特点造成的，同时大部分高分子的热稳定性和化学稳定性也限制了它们的应用。

传统混合基质膜是将高性能的多孔材料纳米颗粒掺杂到易制备、成本低的高分子基质中形成的一种复合膜材料。一方面，无机多孔填料的加入能够克服纯聚合物体系存在的选择性和渗透率之间的“trade-off”效应，使膜性能得到提升；另一方面，利用聚合物的易于加工性制膜解决了传统无机填料因颗粒态而被限制应用以及无机膜易脆性、难以扩大化制备等问题。虽然传统混合基质膜在气体选择性和渗透率方面得到了很大的提升，但是高分子基质的性能对最终混合基质膜性能的限制仍旧是一个在进一步提升混合基质膜性能研究时需要解决的问题，同时聚合物基质易于塑化、老化的问题也影响着混合基质膜的稳定性。

有序多孔膜材料相对于高分子材料具有更均一的孔结构和孔分布，具有优异的孔径筛分性能。采取不同有序纳米多孔材料同时作为混合基质膜的分散相和连续相为解决聚合物基质对混合基质膜性能的限制提供了新的研究思路，已经得到的结果表明，该类膜材料能够超越其他以高分子作为基质的同类膜材料的性能 (Rashidi F,Leisen J,Kim S J,et al.All-nanoporous hybrid membranes:redefining upper limits on molecularseparation properties[J].Angewandte Chemie International Edition,2019,131(1):242-245.)。同时，作为一类新型的有序多孔膜材料，UPC-HOF- 6与高分子具有相同的溶液可加工性(Feng S,Shang Y,Wang Z,et al.Fabrication of hydrogen bonded organicframework membrane through solution processing for pressure regulated gasseparation[J].Angewandte Chemie International Edition,2020.)。

发明内容