基于氨气回收柔性金属有机骨架材料结构重建快速再生机理研究

Ammonia has two sides, useful side: energy of grain, harmful side: haze push. Recycling of low concentrations ammonia from the atmosphere has dual purpose: resource recycling and air pollution reducing. Ammonia adsorption process with no phase change, then, the enriched ammonia can be directly synthesized nitrogen fertilizer (urea) with carbon dioxide. Based on the ammonia-fixing characteristics of flexible metal-organic frameworks (MOFs) Cu(INA)2 with the structure changed to steady state after large ammonia adsorbing, we will chose Cu(INA)2 as the recycling ammonia adsorbent in this project. However, too long time needed for the structure reconstituted, so the adsorbent regeneration is the key issue. Innovative proposed to achieve the original topology reconstruction purpose by the formation of transition state used a class of polar water molecules purging way, realize rapid regeneration of the adsorbent. Deeply understand the structural transition mechanism of Cu(INA)2 after ammonia adsorption-desorption, the memory of self-assembly for the flexible segment with no ammonia adsorbed, the thermodynamic and kinetic properties of ammonia adsorption, and cycle ammonia capture effect of adsorbents. Provide fast reversible regeneration adsorbent material for recycling low concentration ammonia from direct emissions air pollutants, and lay the foundation for expanding the industrial application of flexible MOFs materials.

氨既是粮食能源（氮肥）又是雾霾推手，回收直排低浓度氨气兼具资源化再利用和降低大气污染的双重目的。吸附法具有氨气回收过程无相变，直接与二氧化碳反应合成氮肥（如尿素）的优势。基于柔性金属有机骨架材料（MOFs）Cu(INA)2所具有的氨气吸附量大及固氨特性，作为氨气回收吸附剂优势明显。柔性的Cu(INA)2在脱氨后拓扑结构重新组建所需时间较长，存在吸附剂再生速率慢的问题，限制了其工业应用。本项目创新性的提出利用引入类水极性分子吹扫脱氨后的柔性片段（金属和异烟酸）形成过渡态来达到促进原始拓扑结构重建的目的，实现吸附剂的快速再生。深入研究Cu(INA)2吸脱附气体后的结构转变机理，无氨气时柔性片段的自组装记忆效应，氨气在柔性MOFs中的吸附热力学与动力学性质以及吸附剂的循环捕集氨气效果，为直排低浓度氨气高效回收提供可以快速再生的可逆吸附剂，为拓展柔性MOFs材料的工业应用奠定基础。

氨既是粮食能源（氮肥）又是雾霾推手，回收直排低浓度氨气兼具资源化再利用和降低大气污染的双重目的。吸附法具有氨气回收过程无相变，直接与二氧化碳反应合成氮肥（如尿素）的优势。基于柔性金属有机骨架（MOFs）材料Cu(INA)2所具有的氨气吸附量大及固氨特性，作为氨气回收吸附剂优势明显。本项目不仅按照计划完成了多种类型MOFs材料的制备及其氨气吸脱附性能的研究，还将该材料用于其他气体性能的研究。.关于MOFs材料的合成与氨气吸附共完成了三个方面的研究工作：1.稳定性MOFs的氨气吸附研究；2.柔性MOFs的氨气吸附研究（重点揭示了柔性片段的可再生性能）；3. 柔性MOFs的拓展研究（氨氮废水处理），为直排低浓度氨气高效回收提供可以快速再生的可逆吸附剂。同时拓展了刚性和柔性MOFs创新制备及其用于N2O、CO2和CH4的研究，即用多种气体吸附理论共同揭示了柔性片段的重新组合机理，为拓展柔性MOFs材料的工业应用奠定基础，完成了本项目设置的研究目标。.其中，本项目研究中制备的异烟酸系列MOF和苯二酸系列MOF，因为配体价格较低，利用氨辅助的放大制备方法可以满足材料的工业化制备要求。另外，材料的柔性变化效果，不惧怕普通刚性MOF结构易破坏的因素，从而能应用于工农业的氨吸附应用中。.本项目执行期间共取得成果20项，其中发表论文17篇，13篇被SCI收录（一区4篇），2篇被EI收录，包括J. Mater. Chem. A., Chem. Comm., Environ. Sci. Tech., Chem. Eng. J., Sep. Purif. Technol.等化学化工类知名期刊；授权中国发明专利3件，均为MOFs材料制备及应用研究。培养博士毕业生2名和硕士毕业生2名，均为MOFs制备以及氨气和其他气体吸附研究方向。