金属有机骨架材料混合基质膜的制备及其氢气分离性能研究

发布时间：2020-10-09 19:53

　　化石燃料是当今最主要的能源来源,但是在石油危机和环境保护的双重压力下,我们迫切需要开发可持续和清洁的能源。作为一种可再生和可持续的能源,氢气可以燃烧而且无污染物排放,以其较高的能量转换效率、高的能量密度(1.43×10~8 J kg~(-1))和最丰富的潜在来源,氢气将成为未来最具吸引力和发展前景的能源。蒸汽重整(CH_4+H_2O→CO(CO_2)+H_2)是所有制氢技术中的主要技术,其原料是甲烷和水蒸气,而产物不可避免地含有CH_4、CO、CO_2、N_2和H_2O等杂质。一般来说,合成气中H_2的含量一般在60%~80%之间,这取决于原料质量和工艺条件。当这种方法产生的氢气应用于燃料电池时,杂质会引起严重的燃料电池催化剂中毒。为了增加H_2的热值,还必须除去蒸汽流中的其他成分。因此,从杂质中提纯氢气是极其重要的。膜分离技术是一种高效节能、低成本的实现气体分离的方法,而其中的混合基质膜(将分散相填充于聚合物连续相中制备的复合膜)能够同时具备填充物(如金属有机骨架材料)的能够根据孔径大小筛分气体分子的性质以及聚合物机械加工性能好的特点,在气体分离的工业应用上极具前景。本文选择了孔径介于氮气(3.64?)和氢气(2.9?)尺寸之间的金属有机骨架材料CAU-21-ODB(3.3?),为了制备出高质量的混合基质膜,对溶剂热合成方法进行了改进,即采用微波辅助反应的方法,成功合成出了尺寸更小、更均匀的材料,通过热重分析、X射线粉末衍射、扫描电子显微镜和气体吸附测试对材料的稳定性和吸附性能进行了表征。通过“priming”技术制备了一系列担载量不同的以PIM-1为基质的混合基质膜,同样通过以上手段对膜进行表征,并分别进行了氮气和氢气的单组分气体渗透测试、双组份气体分离测试以及重复性、稳定性测试,得到了十分理想的效果。在制备的这一系列混合基质膜中,气体分离测试表明其中分离效果最好的为担载量为15.2 wt%的膜。它的氢气渗透量可以达到7200 Barrer左右,单组份气体渗透测试结果显示其理想分离比达到39,在氢气氮气双组份分离测试中选择性为127左右。这既体现了超微孔金属有机骨架材料CAU-21-ODB带来的高选择性,也体现了聚合物PIM-1作为基质高渗透量的特点;除此之外,在循环测试中,膜的分离性能展现出了超高的稳定性。总体来看,分离性能在2008年报道的Robeson曲线上方,是目前同类型混合基质膜中综合性能最优异的,是一种在实际应用生产中极具应用前景的材料。
【学位单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ051.893;TQ116.2
【部分图文】：

多孔固体,结构对比,杂化,经典

图 1.1 经典无机多孔固体和杂化多孔固体的结构对比备微孔固体的方法涉及金属离子与有机配体的配位，从而这类材料有着悠久的历史，例如过渡金属氰化物（早期，普鲁士蓝型结构和沃纳配合物）和类似金刚石的双（己多孔固体产生于有机和无机物质之间的反应，以建立包，只通过强键连接在一起，这一点与超分子化学是不一样固体和杂化多孔固体之间没有差别，如图 1.1。实际上，由次级结构单元（SBU）组成的[8]。然而，无机 SBU 只含lO4等四面体，与四、五或六配位的金属离子连接），而在有机配体所取代，形成了在骨架内的键的不同：主要是有子共价键。此外，就多孔性质而言，必须优先选择可以确保具有开放骨架的材料具有刚性拓扑。

平面正方形,代表结构,平面三角形,四面体

1.1 经典无机多孔固体和杂化多孔固体的结构对孔固体的方法涉及金属离子与有机配体的配位，从材料有着悠久的历史，例如过渡金属氰化物（早鲁士蓝型结构和沃纳配合物）和类似金刚石的双固体产生于有机和无机物质之间的反应，以建立通过强键连接在一起，这一点与超分子化学是不和杂化多孔固体之间没有差别，如图 1.1。实际上级结构单元（SBU）组成的[8]。然而，无机 SBU 四面体，与四、五或六配位的金属离子连接），配体所取代，形成了在骨架内的键的不同：主要是共价键。此外，就多孔性质而言，必须优先选择可具有开放骨架的材料具有刚性拓扑。

多孔固体,分类图,多孔材料,多样性

图 1.3 多孔固体材料的一般分类 1.3 显示了多孔固体的一般分类，以及典型的 MOFs 建造过程。MOFs 最象之一是它的孔隙度，这使其成为一种性能远远超过传统多孔材料的新型。由于其在结构和性能上的规律性、刚性/灵活性、多样性和可设计性，M能够达到或超过许多现有技术的先进多孔材料。与传统的无机多孔固体和无机和有机结合产生多孔材料的多样性是惊人的，在过去 20 年中，关于[16, 17]

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