金属有机骨架/聚合物复合膜的制备及气体分离性能的研究

发布时间：2024-02-03 21:47

　　面对日益严重的环境问题,对有害气体排放的有效降低,石化天然气的大规模精细分离以及对氢气等优质清洁能源气体的高效纯化利用使得气体分离成为治理环境污染的关键课题。膜分离技术作为一种新兴的高效分离技术,受到人们越来越广泛的关注与重视。金属有机骨架材料(MOF)具有优异的分子吸附与筛分能力,使其在分离的应用中展现出巨大的潜能,成为制备高性能气体分离膜的理想材料。目前,MOF气体分离的相关研究主要以无机材料作为基底,但其高昂的生产成本不利于大规模工业化应用。聚合物材料造价低廉,可加工性好,种类多样,制备工艺简便,因此,MOF/聚合物复合膜具有更大的工业应用前景,但目前其相关研究相对较少。本课题意在探索以聚合物膜为基底制备高性能MOF复合膜的方法,同时改善MOF/聚合物复合膜面临的合成活化过程中产生缺陷,MOF层与聚合物基底连接强度低等问题。本课题的主要研究内容如下:1.针对聚合物基底缺少结晶位点及MOF层与聚合物基底连接强度低的问题,采用原位合成的方法制备了ZIF-8原位嵌入的PSf基底,并在该基底上生长MOF膜。制备的基膜表面存在ZIF-8纳米颗粒,一方面,这些嵌入式的颗粒起到了铆钉作用以提高...

【文章页数】：131 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
学位论文的主要创新点
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 气体分离膜
        1.2.1 气体分离膜原理
        1.2.2 气体分离膜材料
    1.3 金属有机骨架:结构,化学性质,稳定性及发展历程
        1.3.1 MOF简介及结构
        1.3.2 MOF化学性质
        1.3.3 MOF的结构稳定性
        1.3.4 MOF的发展历程
    1.4 MOF复合膜简介
    1.5 MOF复合膜的制备方法
        1.5.1 直接结晶(Direct crystallization)法
        1.5.2 外延生长法(Epitaxial growth)法与二次生长(Secondary growth)法
        1.5.3 界面与反扩散合成(Interfacial and contra-diffusion synthesis)法
        1.5.4 逐层组装(Layer-by-Layer assembly)法
        1.5.5 微流控(Microfluidic processing)法
        1.5.6 限制转换(Confinement conversion)法
        1.5.7 气相沉积(Vapor deposition)法
        1.5.8 快速热沉积(Rapid thermal deposition)法与电沉积(Electrochemical deposition)法
    1.6 MOF膜的改性
    1.7 MOF膜制备技术小结与展望
    1.8 本文意义,研究思路及研究内容
        1.8.1 研究意义及思路
        1.8.2 研究内容
第二章 在原位嵌入ZIF-8 晶体颗粒的聚砜膜上制备超薄MOF膜
    2.1 研究背景
    2.2 实验部分
        2.2.1 材料和试剂
        2.2.2 ZIF-8 原位嵌入PSf基膜制备
        2.2.3 多次晶体生长法制备ZIF-8复合膜
        2.2.4 仪器与表征
        2.2.5 气体分离性能测试
    2.3 结果与讨论
        2.3.1 ZIF-8 原位嵌入的PSf基膜的制备
        2.3.2 ZIF-8膜的制备
    2.4 气体分离性能测试
    2.5 ZIF-8膜的机械强度
    2.6 小结
第三章 以二维MOF纳米片为晶种通过Layer-by-Layer法制备超薄MOF/聚合物复合膜
    3.1 研究背景
    3.2 实验部分
        3.2.1 材料与试剂
        3.2.2 二维MOF(Zn₂(bim)₄)纳米片的制备
        3.2.3 PAN膜的水解
        3.2.4 MOF膜的制备
        3.2.5 仪器与表征
        3.2.6 气体分离性能测试
    3.3 结果与分析
        3.3.1 Zn₂(bim)₄纳米片
        3.3.2 二维MOF纳米片沉积的PAN膜
        3.3.3 MOF膜
    3.4 气体分离性能测试
    3.5 小结
第四章 以二维MOF纳米片作为中间层制备高性能气体分离TFC膜
    4.1 研究背景
    4.2 实验部分
        4.2.1 材料与试剂
        4.2.2 二维MOF纳米片中间层的沉积
        4.2.3 通过界面聚合制备TFC膜
        4.2.4 测试与表征
        4.2.5 气体分离性能测试
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 负载二维MOF纳米片中间层的基底(M1)与TFC膜(M2-M6)
        4.3.2 气体分离性能测试
        4.3.3 膜稳定性测试
    4.4 二维MOF纳米片中间层对TFC膜气体分离性能的影响
    4.5 小结
第五章 结论与展望
    5.1 结论
    5.2 展望
参考文献
攻读博士学位期间发表论文及承担完成科研情况
致谢



本文编号：3894739