面向生物质多羟基平台化合物高效分离应用的沸石型金属有机骨架薄膜的定向设计与可控制备研究

Polyhydroxy compounds belong to an important category of platform compounds in the biomass-based energy system. Their efficient separation is one of the key technical bottlenecks in the biorefining industry. In this project, we intend to assemble/fabricate high performance zeolitic metal-organic framework (ZMOF) membranes with ZMOF nano-/micro building blocks using a method combing preparation experiments, adsorption characterization, and computer simulation, striving to achieve a breakthrough in pervaporative separation of polyhydroxy compounds. To this end, we will take into account the structural features and physicochemical properties of the biomass-derived polyhydroxy platform compounds, and take full advantage of the application-oriented designed synthesis and functional modification of ZMOF materials, as well as our experience in the pervaporative zeolite membranes and recent advances in the field of ZMOF membranes. In this project, we would gain an insight into the designs of membrane materials and fabrication of ZMOF membranes regarding the applications in pervaporative separation of polyhydroxy compounds, which would consequently accelerate the research on the pervaporation application of ZMOF membranes in other fields. In addition, the scientific knowledge obtained in this project on the structure-property relationships of ZMOF based adsorbents and separating membranes would provide an important reference for the application-oriented designed synthesis and controllable preparation of other types of MOF thin films.

多羟基化合物是生物质基能源体系中一类重要的平台化合物，其高效分离是生物炼制产业面临的关键技术瓶颈之一。在本项目中，我们拟通过制备实验、吸附表征，和计算机模拟相结合的方法,组装/制备基于沸石型金属有机骨架（ZMOF）纳/微构筑单元的高性能分离膜，力争在多羟基化合物渗透汽化分离方向取得突破。为此，我们将考虑生物质多羟基平台化合物的结构特点和物化特性，充分利用ZMOF材料在应用导向设计合成和功能化修饰方面的优势，并借鉴申请人在沸石分子筛渗透汽化膜领域的研究积累和ZMOF分离膜领域的最新进展。本项目研究除了直接催生面向多羟基化合物渗透汽化分离的ZMOF膜材料设计与分离膜制备的基础研究成果，还将极大地促进ZMOF分离膜在其他应用领域的渗透汽化研究进展。本项目获取的有关ZMOF吸附材料和分离薄膜的构效关系的科学认识对其他类型MOF薄膜的面向应用过程的设计合成与可控制备研究具有重要的借鉴意义。

多羟基化合物是生物质基新能源体系中一类重要的平台化合物，其高效分离问题是生物炼制产业面临的关键技术瓶颈之一。本项目针对多羟基化合物的结构特点和物化特性，利用沸石型有机金属骨架（Zeolitic Metal-Organic Frameworks, ZMOFs）材料在应用导向设计合成和功能化后修饰方面的优势，通过制备实验、吸附表征，和计算机模拟相结合的方法，利用ZMOFs 纳/微构筑单元组装、制备高性能ZMOFs 分离膜。在分离对象方面，选取丙二醇、羟甲基糠醛和糠醛为代表性研究对象，在材料制备方面，选择新型沸石咪唑酯骨架（Zeolitic Imidazolate Framewworks, ZIFs）材料为研究对象。不论是研究对象的选取还是新型材料的探索均极富挑战性和前瞻性。本研究发展了ZIF-7, ZIF-8, ZIF-78, ZIF-90, ZIF-93，ZIF-108等多种类型ZIFs纳米粒子的可控合成方法。系统研究了ZIF-7, ZIF-8，ZIF-90，ZIF-93上多种生物质来源的一元醇，二元醇，以及糠醛和羟甲基糠醛和吸附行为。开发了“超生共混法”和“堵塞填充法”合成高性能ZIFs混合基质膜的实验方法。系统考察了ZIF-8-PMPS混合基质膜针对糠醛/水体系和糠醛/乙醇/葡萄糖/木糖/水体系的渗透汽化和蒸汽渗透分离性能。此外，在本项目执行过程中，我们首次发现公认的最具稳定性的ZIFs材料存在水热稳定性问题，并提出了提升其稳定性的有效策略和实验方法，为该类材料的实际应用奠定了基础。项目执行过程中已发表SCI论文6篇，申请专利6篇，已培养博士生1名。