[发明专利]一种超微孔pcu-h网络拓扑结构的MAF-stu-8材料及其合成与应用

说明书

本发明涉及一种具有超微孔pcu‑h网络拓扑结构的MAF‑stu‑8材料，化学式为{[Cu₂(Tzpy)]₂}_n，n为非零自然数，Tzpy为1H‑1,2,3‑三氮唑‑[4,5‑b]吡啶基；属于三方晶系，空间群，在c轴方向存在一维孔道，具有优异的热稳定性及化学稳定性，而且能够实现材料的快速大量合成。本发明的MAF‑stu‑8材料能够同时在Bz/CH和Tol/MCH混合液中特异性吸附Bz和Tol，并将Bz和Tol从结构框架中洗脱出来，其洗脱纯度均可达到99.3％，从而实现Bz/CH和Tol/MCH的液相吸附分离。同时，该材料能够实现多次循环利用的效果，其材料性能依然不变，并且在商业纯(≥99％)CH和MCH中选择性提取一定量的Bz和Tol。MAF‑stu‑8作为一种具有双功能的MOF材料，能够特异性选择吸附Bz和Tol是基于尺寸排阻和超分子绑定的协同效应来实现的，并且这种可逆现象是一种“自修复”的表现。

技术领域

本发明涉及金属-有机框架领域，尤其涉及一种超微孔pcu-h网络拓扑结构的MAF-stu-8金属-有机框架材料及其在苯(Bz)/环己烷(CH)以及甲苯(Tol)/甲基环己烷(MCH)混合液中特异性选择吸附Bz和Tol，从而实现Bz/CH和Tol/MCH的液相吸附分离。

背景技术

近几十年以来，随着全球不断对石油化工原料需求的扩大，能源危机已逐渐成为国内外迫切需要解决的重大问题。其中，由C和H元素组成的碳氢化合物是从石油、天然气和煤矿中提炼出来的产物，是化学工业中使用最为广泛的原料。众所周知，碳氢化合物(如C₆，C₇)的分离提纯是一项重大需求牵引的关键科研课题，近年来更是被誉为“改变世界的七大化学分离”之一。在化学工业中，萃取精馏是一种最为常用的分离方法，以传统精馏方法的分离技术更是占据工业分离的50％以上，但这种工艺存在分离纯度低、能源消耗高和成本昂贵等问题，而采用多孔材料(如沸石或分子筛)进行吸附分离，也存在材料选择的局限性和扩散速率慢等缺陷。目前，工业界和学术界的科学家正致力于开发廉价、高效率及能耗低的新型材料来取代传统方法是必然的趋势。因此，金属-有机框架(MOF)材料作为一种新型的多功能材料便脱颖而出。MOF是一类由金属离子/团簇和多基有机配体自组装而成的新型晶体多孔材料，其结构周期性的特点能够呈现出多种多样新颖的网络拓扑结构，并且在吸附分离、异相催化、气体储存、发光性能和生物医药等领域具有潜在的应用价值。作为晶态有序的多孔材料，MOF在吸附分离领域中具有不可替代的优势，从而能够解决碳氢化合物分离提纯应用中存在的若干瓶颈问题。

在化学工业中，虽然苯(Bz)和甲苯(Tol)是重要的石油化工原料，但它们却是一种公认的挥发性有机化合物。相比之下，环己烷(CH)和甲基环己烷(MCH)不仅是制造树脂、橡胶、涂料、尼龙纤维等的重要原料，更是化学工业中生产环己醇、环己酮、己内酰胺等的初始原料，它们在化学工业和环境领域中扮演着非常重要的角色。由于Bz和CH以及Tol和MCH具有相似的物理化学性质，其沸点、分子几何构型及Lennard-Jones碰撞直径相似，导致它们的分离系数大，因而在石油化工领域中C₆和C₇的分离被列为最具挑战性的分离之一。同时，CH和MCH作为液态有机氢载体(LOHC)在氢气的储存和运输中发挥着重要的作用。LOHC被氢化之后可用于氢气的储存及运输，然后根据需求再对其进行催化脱氢处理从而释放出氢气，这种储氢方式具有环境、经济、技术以及安全等优势，且可以实现氢气的长距离运输和长期储存。MCH-Tol-H₂以及CH-Bz-H₂是最为经典的LOHC材料，使得Bz/CH和Tol/MCH的分离显得格外重要。在此背景下，开发具有分离提纯功能的新型MOF材料是环境保护和减缓全球能源消耗持续增长的关键因素，这俨然已成为科学家迫切需要解决的关键科研课题。

发明内容