面向气体分离的金属有机骨架晶体材料可控合成及膜制备研究

Energy saving and emission reduction is the key issue of a new sustainable energy systems, and separation process occupy 40% to 60% of total energy consumption in the chemical industry, so the greener membrane separation technology will play a major role in the future sustainable development. Due to its highly open framework structures and designed channels, metal organic framework materials are the promising crystalline materials to prepare the high-performance membranes. The project aims at three typical energy and environmental gas separation system (hydrogen separation, methane purification and carbon dioxide capture), and studies metal organic framework crystalline materials targeted synthesis and membrane preparation. Study the construction of functional channels, the optimization of crystal morphology, and the efficient preparation of membranes, to explore these scientific problems such as, the association between the structure and adsorption properties, the crystallization kinetics effects of crystal morphology and growth mechanism, and the relationship of the adsorption with separation. Developing the new theory and technologies to promote the basic research of and the separation application of metal organic framework crystalline materials.

节能减排是建立可持续发展新能源系统的关键，而在化学工业中分离过程占到总能耗的40%-60%，因此绿色的膜分离技术将在未来的可持续发展产业中发挥重大作用。金属有机骨架晶体材料由于其高度开放的框架结构，以及孔道的可调控性，最大程度地满足了制备高性能分离膜的要求。本项目面向三类典型的能源与环境气体分离体系（氢气分离、天然气纯化和二氧化碳捕获），以金属有机骨架晶体材料的可控合成及膜制备为研究对象，通过对孔道尺寸和功能的定制合成、晶体形貌的可控优化、以及分离膜的高效制备等基础研究，探索微观结构基元设计与吸附性能的关联，结晶动力学因素与晶体形貌、成膜机制的效应，孔道单组份吸附与膜内混合组份竞争传递性能的规律等关键科学问题。提出新理论，开发新技术，推动金属有机骨架晶体材料这一课题基础研究的同时，促进该类多孔晶体材料在分离领域的应用发展。

膜分离技术在解决能源和环境挑战方面具有广阔的应用前景，在过去的几十年中得到了迅速的发展。与传统的气体分离技术（如PSA/TSA操作）相比，膜分离技术在降低能耗方面具有巨大的潜力。节能减排是建立可持续发展新能源系统的关键，而在化学工业中分离过程占到总能耗的40%-60%，因此绿色的膜分离技术将在未来的可持续发展产业中发挥重大作用。金属有机骨架晶体材料由于其高度开放的框架结构，以及孔道的可调控性，最大程度地满足了制备高性能分离膜的要求。.本项目面向能源与环境分离需求，以金属有机骨架晶体材料的可控合成及膜制备为研究对象，通过对孔道尺寸和功能的定制合成、晶体形貌的可控优化、以及分离膜的高效制备等基础研究，探索了微观结构基元设计与吸附性能的关联，结晶动力学因素与晶体形貌、成膜机制的效应，孔道单组份吸附与膜内混合组份竞争传递性能的规律等关键科学问题。.通过该项目的实施，本课题组成功地合成了一系列新型的、高稳定的金属有机骨架膜材料，并对其在不同温度、不同湿度的操作环境下的分离性能进行了系统的研究。此外，金属有机骨架分离膜最重要的挑战之一是可靠的放大制备方法。本项目开创了无溶剂法制备金属有机骨架膜材料的新方法，避免了大量溶剂和高压合成条件的影响，为金属有机骨架膜的制备带来了放大制备的可能。这种绿色合成方法能生长出结晶度高、孔隙率高、密度大、无缺陷的金属有机骨架膜，同时具有较高的透过率和选择性。.总之，通过本项目的研究，推动了金属有机骨架晶体膜材料这一课题的基础研究，并促进了该类多孔晶体材料在分离领域的应用发展。