新型納米多孔材料的結構設計與分離性能研究.pdf

1、新型納米多孔材料，如金屬-有機骨架材料(Metal-OrganicFrameworks，MOFs)和共價有機骨架材料(Covalent OrganicFrameworks，COFs)，具有孔尺寸可調控性、結構可設計性及可功能化等特性，在吸附分離、膜分離領域受到了廣泛的關注。本工作利用實驗與計算模擬相結合的方法，對MOF材料在液相吸附分離以及COF材料在氣體吸附分離、膜分離方面的應用進行了研究，并通過機理探索、材料構效關系建立及結構設計實

2、現(xiàn)材料的性能調控。主要工作如下:
　　1.對46種COF材料建立數(shù)據(jù)庫，考察了它們對煙道氣(CO2/N2)的分離性能。通過構效關系研究發(fā)現(xiàn)，具有層狀結構的2D-COF可以通過層間平移進行結構重整形成狹縫孔（6～7(A)，層間距，原子質心間距離），對吸附的CO2分子產(chǎn)生“夾板效應”。靜電勢研究表明，結構重整后的2D-COF孔通道內的靜電勢強度和梯度得到了強化，提供了有利于CO2吸附的微環(huán)境，因此2D-COF材料的CO2/N2分離選擇

3、性實現(xiàn)了5～12倍的提升?；?，提出了通過結構重整產(chǎn)生“夾板效應”，強化2D-COF材料煙道氣分離性能的設計策略。
　　2.采用計算化學手段，考察了46種COF材料在變壓分離(PSA)過程中對CHgH2，CO2/H2，CO2/CH4的吸附分離性能，發(fā)現(xiàn)在選擇吸附CO2的體系中，含有小孔結構的COF材料(孔徑3～7(A))和強靜電作用官能團的材料，分離性能較好;而在CH4/H2體系中，能為CH4提供足夠強的范德華作用力的小孔材料，性

4、能更突出。此外，將第二章提出的設計策略進一步用于CH4/H2和CO2/H2體系，發(fā)現(xiàn)這些材料兼具了高選擇性和高工作容量的特點，其分離性能超過了很多工業(yè)用沸石材料，進一步證明了本工作提出的“結構重整”強化2D-COF材料分離性能的設計策略的普適性。
　　3.將“結構重整”的思路用于膜分離材料的設計，運用計算模擬手段，以孔結構規(guī)整的層狀2D-CTF-1為母體，將其進行剝離與重新堆疊，獲得了一系列對CO2/N2的選擇性從低到高再至分子篩

5、分功能的超薄膜材料，且CO2通量達到105～106 GPU。此外，通過研究氣體在膜內的擴散機理，提出了通過構筑有利的能量微環(huán)境來強化超薄膜分離性能的新的設計策略。新材料的分離性能遠遠超過了工業(yè)上常用的膜材料，突破了傳統(tǒng)聚合物膜中的選擇性與通量的制約關系，為膜分離材料領域提供了新的儲備材料。
　　4.將配體相同、金屬不同的水穩(wěn)定介孔MIL-100(Fe，Cr)用于染料甲基橙(MO)、亞甲基藍(MB)的吸附，及MO/MB混合染料的分離

6、。實驗表明MIL-100(Fe，Cr)對MB的吸附性能接近，而對MO的吸附表現(xiàn)出很大的差異。并通過對MO/MB混合物的吸附，發(fā)現(xiàn)MIL-100(Fe，Cr)可分別用于MO/MB的同時脫除及MO/MB的分離（選擇性吸附MB）。通過模擬計算發(fā)現(xiàn)，在MIL-100(Cr)中MO與溶劑水的競爭吸附作用更強，導致MO在MIL-100(Cr)中的吸附動力學緩慢。該工作表明MOF材料在吸附水中染料大分子方面表現(xiàn)出良好的性能，并提出了通過替換金屬使MO