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MOFs材料:在CO2吸附與捕集方面的實驗探究

MOFs材料:在CO2吸附與捕集方面的實驗探究
精微高博  2024/12/06  |  閱讀:3447

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產品配置單:
方案詳情:

金屬-有機骨架(MOFs)材料是一類由無機金屬離子與有機配體構筑而成的網格結構晶體,也被稱為多孔配位聚合物。目前實驗室合成的MOF已經有20000多種,按類型可以分為網狀金屬有機框架材料IRMOF、沸石-咪唑框架材料ZIF、萊瓦希爾有機框架材料MIL和通道式框架材料PCN ,各自的代表材料有MOF-5、ZIF-8、MIL-101和HKUST-1。近年來MOFs的發展迅猛異常,在氣體分離、水凈化、工業催化、生物醫藥等各個領域得到了廣泛研究。

mof-1

與其他傳統多孔材料相比,MOFs具有豐富的、高度有序的、可調的結構,MOFs早期應用主要集中在氣體儲存和分離方面,隨后其在催化、化學傳感器、污染物吸附、生物醫學等諸多領域中的應用也得到了快速發展。

最新研究進展

隨著全球經濟與人口的快速發展,能源消耗也在顯著增長。迄今為止,全球超過85%的能源需求由化石燃料提供,這導致了大量的CO2被排放到空氣當中。大氣中高濃度的CO2對氣候變化的潛在影響引起了全世界的關注,開發有效的CO2捕集技術十分必要。

2022年,Lu Shao團隊受自然界中根瘤菌誘導根瘤生物共生過程啟發,開發了一種全新的策略構建具有超高MOF(ZIF-8)含量的混合基質膜。在氯仿/水混合溶劑環境下,合成的ZIF-8晶體尺寸更小(~100 nm),并能均勻分散在高滲透性的自聚微孔聚合物(PIM-1)基體中,ZIF-8的負載量高達67.2 wt.%,PIM-1的氰基與ZIF-8的-NH基團間的特異相互作用保證了新型混合基質膜優異的界面相容性,避免了超高含量下MOF的團聚現象和膜中非選擇性缺陷的產生。超高含量MOF負載能顯著增強混合基質膜的二氧化碳溶解系數,賦予其優異的選擇性,并同時可以提高PIM-1膜的抗物理老化和塑化的能力,增強膜在實際應用過程中的穩定性。PNAS上發表的首篇碳捕集分離膜研究工作。

圖1 金屬有機骨架混合基質膜合成示意圖

圖1 金屬有機骨架混合基質膜合成示意圖

圖2 在308 K下二氧化碳的吸附解吸等溫線

圖2 在308 K下二氧化碳的吸附/解吸等溫線

Yunling Liu課題組在2016年報道了兩例基于超分子構筑塊(Supermolecularbuilding blocks,SBBs)策略合成的同構MOFs JLU-Liu20和JLU-Liu21。如圖3所示,豐富的OMS和LBS,以及結構中大的比表面積與多種籠結構的存在,使得JLU-Liu20和JLU-Liu21表現出高的CO2捕獲能力。其中,JLU-Liu20對CO2的最大吸附量在273 K條件下可達210 (41.2 wt%) cm3·g-1,在298 K條件下為118 (23.2 wt%) cm3·g-1。

圖3 不同溫度下JLU-Liu20和JLU-Liu21的CO2吸附曲線及CO2吸附焓

圖3 不同溫度下JLU-Liu20和JLU-Liu21的CO2吸附曲線及CO2吸附焓

2022年,O. M. Yaghi課題組通過將MOF-808氨基酸功能化,得到了一系列的MOF-808-AA(AA:代表11種氨基酸)。其中氨基酸內的胺基指向孔道內部,可以與CO2間產生足夠的親和力從而生成氨基甲酸酯和氨基甲酸。這種CO2化學反應使該材料在潮濕環境中表現出增強的CO2捕獲能力,并且可以在不加熱的條件下完成CO2的解吸附。在此基礎上,該課題組進一步考察了MOF-808-Gly在模擬煤煙氣條件下通過真空擺動吸附來捕獲和釋放CO2的性能。實驗結果表明,MOF-808-Gly可以反復捕獲、釋放CO2,循環次數可達80次以上。該研究首次將增加濕度提高CO2吸收量與低能量真空擺動吸附工藝相結合進行煙道氣中CO2的捕獲,揭示了胺基基團與MOF骨架間的強烈結合,從而實現在不加的溫和條件下結合和釋放CO2,有助于實現節能的CO2吸附與解吸循環(圖4)。

圖4  MOF-808-Gly常溫及真空條件下捕獲釋放CO2示意圖

圖4  MOF-808-Gly常溫及真空條件下捕獲釋放CO2示意圖

圖5 MOF-808、MOF-808-FR和MOF-808-Gly的CO2吸附曲線

圖5 MOF-808、MOF-808-FR和MOF-808-Gly的CO2吸附曲線

實驗探究

我們與某公司合作探究一種MOF在195K和室溫下對于二氧化碳的吸附表現。從下圖我們可以看出,該樣品在195K(干冰升華)下的飽和吸附量接近669cm3/g,用HK模型分析該樣品的孔徑集中分布在1.21nm左右。該實驗是用的我們專用的液氬裝置,控制恒溫容器的溫度在195K附近得到的。與此同時測試了該樣品在273K下的CO2吸附曲線,該樣品吸附量接近69.4cm3/g STP,在我們探究的所有樣品里邊,該樣品吸附量是比較高的。

圖6 樣品在273K下的CO2吸附曲線

測試儀器推薦

BK300-正

JW-BK300C 研究級比表面積及孔徑分析儀

BK300系列采用統一標準型集裝模塊,支持A型、B型升級為研究級C型;真空系統服務于分析站及脫氣站,可升級配置第二套真空系統,分別獨立應用于脫氣站及分析站。第二套真空系統也可配置分子泵(適用于C型);可升級多路進氣,最高8路測試氣(含回填氣)、1路He氣,便于多種氣體自動選擇吸附測試;支持升級為國內外獨有的兩種混合氣體的選擇性吸附性能分析,為氣體環境凈化領域提供了非常有意義的分析方法。

mix100-正

JW-MIX 100競爭吸附與傳質分析儀

這一款是我們近期研發的競爭吸附與傳質分析儀。它集眾多功能于一體,像一些常見功能如動態氣流吸附與解吸、穿透曲線的確定與評估、吸附動力學研究、共吸附和置換作用的研究、吸附選擇性的測定、混合氣體吸附平衡的測定、流動吸附過程的熱平衡研究都可以實現。甚至可以選擇配置色譜法和零長柱發測定擴散系數。


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