新型的ZIFs晶体膜的制备及其分离CO2/N2机理

研究新型沸石咪唑酯骨架类(ZIFs)晶膜及ZIFs膜分离CO2/N2的机理，主要涉及研制对CO2具有高分离因子和高通量的ZIFs晶体膜，研究新型膜的分离机制，建立新型的膜分离CO2/N2过程。属于膜科学、材料科学和化学工程相互交叉的研究领域。项目将从理论层面上，研究ZIFs膜表面化学性质和孔径大小对CO2和N2的分离选择性和通量的影响，揭示通过调控孔径和修饰表面的协同作用来形成多种分离机制(包括筛分、扩散速率差异以及吸附筛分)原理；从技术层面上，研制能控制连续致密、取向性和膜体厚度的ZIFs晶膜技术工艺并制备出ZIFs晶膜，表征ZIFs晶粒膜体生长取向性和缺陷孔大小分布及数量，测定和评价ZIFs晶膜对CO2的渗透分离性能，从应用基础的层面，以ZIFs晶膜为技术核心，建立能从CO2/N2混合气中分离捕获CO2的新型膜分离过程。项目研究成果将为解决CO2捕获和分离重大课题提供新的理论和技术基础

本项目主要研究新型沸石咪唑酯骨架类(ZIFs)晶膜及ZIFs膜分离CO2/N2的机理，主要涉及研制对CO2具有高分离因子和高通量的ZIFs晶体膜，研究新型膜的分离机制，建立新型的膜分离CO2/N2过程。主要取得的进展有：(1)成功合成了两种金属骨架晶体膜MOF-5和ZIF-8：采用纳米晶种预置法制备了超薄型MOF-5和ZIF-8晶体膜，其膜厚分别为6-10 µm和5-8µm是目前报道的最薄的金属骨架晶体膜，其晶体膜表面的晶体平均粒径分别为20 µm和5-7 µm；(2)测定了CO2在MOF-5和MIL-101上的扩散系数和扩散活化能：在295-331K下CO2在MOF-5上的扩散系数为：8.1-11.5×10-9 cm2/s(该扩散速度是相似条件下CO2在13X分子筛上扩散速度的100倍)，扩散活化能约为7.6 kJ/mol；在298-328 K下CO2在MIL-101上的扩散系数为：4.11-26.2×10-11 cm2/s，扩散活化能约为2.62-4.24 kJ/mol；(3)获得了两种金属有机骨架晶体膜对CO2/N2的渗透扩散系数和分离系数：在298K和406kPa条件下ZIF-8膜对CO2含量为90% CO2/N2混合气的CO2/N2的分离系数能达到6在298K和455kPa条件下MOF-5对CO2含量为88% CO2/N2混合气的CO2/N2分离系数可达60。（4）将过渡金属Cr离子与1,4-萘二羧酸配位合成出一种高憎水性的新型MOFs吸附材料。其Langmuir比表面积可达3006 m2/g，接枝有苯基基团的SCUT-Z01的憎水性明显强于所报道的MIL-101(Cr)晶体材料，相同湿度下仅为MIL-101对水吸附容量的30%。.在本项目研究期间，曾获得了两项中国博士后自然科学基金项目的资助，申请了6项国家发明专利(已授权一项)。已发表SCI收录的论文12篇和EI收录论文2篇，参加7次国际国内学术会议，培养1名博士研究生和3名硕士研究生。