[发明专利]用于分离乙炔/二氧化碳且兼具“三高”性能的Cu-MOF材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于分离乙炔/二氧化碳且兼具“三高”性能的铜基金属‑有机框架(Cu‑MOF)材料及其制备方法；该材料同时具备高稳定性、高乙炔吸附容量与高分离选择性，可实现乙炔/二氧化碳的高效分离，且制备方法简单，合成温度低；结构通式为Cu₄L，其中L为3,6‑二乙基‑1,2,4,5‑四‑(苯基‑3',5'‑二羧酸)苯(简写为H₈L)，Cu²⁺与L^8‑自组装构成三维网络结构；所述制备方法为：(1)首先合成八羧酸有机配体H₈L。(2)其次将金属盐、H₈L和有机溶剂混合后加入调节剂，进行水热反应，经抽滤、洗涤、干燥即得。该材料打破了MOF材料乙炔吸附容量与乙炔/二氧化碳分离选择性之间的trade‑off效应，其优异的性能极大地推动了乙炔/二氧化碳吸附与分离领域的进一步发展。

技术领域

本发明涉及金属-有机框架纳米材料以及气体吸附与分离的技术领域，具体涉及一种用于分离乙炔/二氧化碳且兼具“三高”性能的铜基MOF材料(Cu-MOF)及其制备方法。该Cu-MOF材料同时具备高稳定性、高乙炔吸附容量与高分离选择性，可用于乙炔/二氧化碳的高效分离。

背景技术

乙炔是一类非常重要的工业气体，可用作燃料并被广泛应用于生产氯乙烯、丙烯酸、1,4-丁炔二醇等化学品。乙炔的主要来源是石油分馏与裂解过程，该过程不可避免的会产生二氧化碳杂质，从而导致乙炔纯度的降低，不利于后续的使用，因此如何高效地除去二氧化碳并获得高纯乙炔具有重要意义。乙炔和二氧化碳分子的物理性质近乎相同(沸点分别为189.3K和194.7K)，且动力学尺寸均为分离难度极大。溶剂萃取和低温精馏等传统的分离方法成本高且能耗大。相比之下，基于多孔材料的吸附分离技术能耗小，更为节能环保。

金属-有机框架材料(metal–organic frameworks,MOFs)是一类由无机金属团簇(或二级建筑单元，SBUs)与有机分子通过配位键连接而成的固体晶态多孔材料。与传统多孔材料相比(活性炭、分子筛等)，MOF材料能实现更高的比表面积和孔体积、其孔道结构具有可精确调控和易功能化等优势，近年来发展成为一类能实现混合气体高效分离的气体吸附材料。

尽管目前在乙炔/二氧化碳吸附分离领域，已经可以利用MOF材料去实现乙炔/二氧化碳的有效分离，但现有报道的MOF材料存在着乙炔吸附容量与乙炔/二氧化碳分离选择性难以同时兼具的trade-off效应，该科学难题大大限制了乙炔/二氧化碳分离效率。一方面，具有强功能位点的小孔MOF材料，由于密度高的功能位点和孔的筛分效应，能表现出很高的气体分离选择性，但小的孔体积限制了乙炔吸附容量；而大孔MOF材料，较大的孔体积能使其获得极高的乙炔吸附容量，但由于与乙炔分子之间的作用力弱且大孔缺乏筛分效应，因此分离选择性低。显然，制备一种同时高C₂H₂吸附容量和高C₂H₂/CO₂分离选择比的MOF材料对工业上的乙炔纯化应用具有重要意义，也是一个具有挑战性的科学难题。本发明开发了一种新策略，通过结构设计向MOF材料中引入独特的超分子作用位点，制备的新型铜基MOF材料具有合适的孔尺寸和高密度的超分子作用位点，实现了同时高的乙炔吸附量和选择性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种用于分离乙炔/二氧化碳的新型高稳定性Cu-MOF材料及其制备方法。该Cu-MOF材料克服了MOF材料乙炔吸附容量与乙炔/二氧化碳分离选择性之间的trade-off效应，实现了高乙炔吸附容量与高分离选择性，为提高MOF材料的气体吸附与分离性能提供了新的设计和调控策略。

本发明采用如下技术方案：