[发明专利]一种通过合成后修饰使COFs薄膜实现高效分离气体的方法

说明书

本发明的一种使COFs薄膜实现高效分离气体的方法，COFs薄膜材料是在有机溶液与玻璃瓶壁之间的界面反应形成的；将瓶壁上的膜剥落后，通过“点击反应”对其进行合成后修饰，并引入金属离子与接枝分子进行螯合配位，从而实现有效地分割COFs薄膜的孔道此类COFs薄膜材料是利用液‑固界面法合成的，该方法具有普适性，操作简单，原料成本低廉，具有可大型加工性，而且通过控制反应物、催化剂和引入的接枝分子的浓度能够对其厚度、孔道环境以及其气体分离性能进行有效调控，所制备的COFs薄膜材料在常温常压的条件下分离H₂/CO₂混合气体的测试中显示出较大的气体通量。

技术领域

本发明属于利用COFs薄膜实现高效分离气体领域，具体而言，通过对COFs薄膜进行合成后修饰对其孔道进行分割，有效地减小其孔径并且其气体分离性能得到大幅提高，属于气体膜分离领域。

背景技术

随着清洁能源供应需求的日益增长，工业能源气体的高效分离与纯化成为了备受关注的研究领域。目前存在分离气体的方法有吸附法、吸收法、和低温分离的方法以及膜分离的方法。

首先“吸附法”根据附操作方式的不同，可分为：变压吸附(PSA)、变温吸附(TSA)。其优点在于过程相对简单、装置操作弹性大、能耗低且无腐蚀和污染等，因此现阶段发展较为迅速，在化肥、石化等工业中应用较为广泛。但此方法气体回收率和纯度较低，所需填料多且设备庞大，能耗高，以及对气体的分离选择性较低。其次“吸收法”根据吸收原理的不同，可分为物理吸收和化学吸收。此方法的优点在于技术较为简单，有较好的分离效果，应用较为广泛。但其缺点在于工艺设备投资大、运行费用高，吸附剂也会因为使用次数的增加而再生困难并消耗大量能量，此外，吸收剂对操作系统有腐蚀作用，能耗、投资较高。以及“低温分离法”可根据不同的沸点温度来分离气体组分。此方法优点在于非常适用于大型市场(钢铁，化工，食品加工，油田开采等)，得到的产品纯度较高。但缺点在于设备庞大，能耗很高。

相对比以上所述分离气体的方法，“膜分离”作为一种新型的分离方法，具有以下优点：(1)高效。膜具有较高的选择透过性，即能够选择性地使某些物质透过，而阻碍另外一些物质的透过；(2)节能和环保。膜分离操作一般是在常温下进行，被分离物质不会发生相变，低能耗、低成本；不会产生大量污染物；(3)可加工性强。处理规模可大可小，可连续操作也可以间歇操作，工艺过程简单，操作方便；(4)无化学变化。膜分离过程是一个物理分离过程，不需要添加任何化学试剂和添加剂，产品基本不受污染；(5)易于操作，维护方便，安全性好，易于安装等。

作为一类新兴结晶多孔材料，共价有机骨架(COFs)的高结晶性、高比表面积、高孔隙率、孔径与结构可调控等优势使其在气体分离领域展现出了良好的应用前景。在气体分离领域，与其他多孔材料相比，COFs具有以下优点：(1)具有较高的表面积和孔隙率，结构高度有序且可调，有利于气体分子与材料充分接触，实现良好的气体分离性能；(2)易于在骨架的主链或侧链引入丰富的官能团，从而引入气体分子作用位点，改善材料的分离性能；(3)孔道的化学和物理环境易于调节，从而实现灵活调节其对气体分子的选择性；(4)丰富的单体种类和成键方式为设计具有高分离性能的材料提供丰富的选择，且通过选择合适构筑单元以及成键方式可以提高材料稳定性。但目前通过对COFs薄膜的孔道进行分割使其气体分离性能明显提高的工作尚未有报道。

发明内容

针对目前气体分离方法存在的问题，本发明将COFs材料与膜分离技术相结合，利用液-固界面的方法制备了具有高度结晶性的、厚度均一的、柔性的、光滑致密的COFs薄膜材料，制膜方法操作简单，原料成本低廉，具有可大型加工性；利用合成后修饰的策略进一步对COFs薄膜的孔道进行分割，实现气体分离的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：