基于金属-CO反馈π键的金属有机框架膜气体分离机理研究

High purity CO has been used widely in the fields of plastic processing and pharmaceutical synthesis. During industrial preparation process of CO, separation and purification is a key technological link. Moreover, CO as a major constituent in off-gas has been emissed by industrial and mining enterprises. Therefore, how to separate and purify CO efficiently from the mixed gases is significant in energy and environmental protection. MOF membrane has emerged as promising materials in the fields of gas separation.To date, the strategy of increasing MOF membranes’ permeability and selectivity of CO simultaneously based on metal-CO π-back bonding is a completely new thought that has not been reported yet. In this research, we will synthesize a series of porous MOF membranes, and then to regulate the constructions of cavities with the different constructions or coordination modes of ligands; Based on metal-CO π-back bonding,the barrier layers will be formated through combination CO in the cavity and the molecular structure of the cavity. The nature of metal-CO π-back bonding formed in MOF membranes and barrier layers including the formation conditions and dynamic stability will be studied. The relationship between the rules of dynamics and thermodynamics of gas diffusion and the molecular structure of MOF membrane will also be studied extensively and therefore this research also has practical significance.

高纯CO在塑料加工及医药合成等领域有广泛的应用。工业制备CO过程中，CO分离是重要工艺环节。此外，我国许多工矿企业所排放的尾气中含有大量CO。因此如何从这些混合气体中分离高纯CO，将成为能源与环保领域亟待解决的重要问题。在气体分离领域，MOF膜是一种具有发展前景的新型膜材料。本文提出基于金属-CO反馈π键，同时提升MOF膜对于CO的气透率和选择性的思路还未见公开报道。本课题计划筛选合成孔道结构的MOF膜材料，利用配体结构和配位方式的多样性，调控膜孔腔结构。基于金属-CO反馈π键，调控膜孔腔内CO分子吸附特性，并结合孔腔分子结构，在腔内形成气体扩散“阻挡层”。通过研究金属-CO反馈π键在膜内形成断裂规律及腔内“阻挡层”的动态稳定性规律，揭示气体分子在MOF膜内扩散的动力学、热力学规律及混合气体分离的机理与MOF膜分子结构间的内在联系，对MOF膜气体分离技术的进一步工业化应用具有重大实际意义。

高纯CO在塑料加工及医药合成等领域有广泛的应用。工业制备CO过程中，CO分离是重要工艺环节。此外，我国许多工矿企业所排放的尾气中含有大量CO。因此如何从这些混合气体中分离高纯CO，将成为能源与环保领域亟待解决的重要问题。本课题利用MOF结构的多样性及金属-CO分子间反馈π键的作用，制备对CO具有高分离性能的MOF膜。根据项目预定研究计划，项目从两个体系分别开展了研究工作：1、含磷酸MOF配合物的筛选、合成及气体吸附脱附性质研究；2、MOF膜的制备及气体分离性质的研究。.通过研究，确认了通过配体设计、后修饰的方法可以在MOF材料孔洞内形成“阻挡层”，MOF材料的孔结构对膜分离效果具有重要的影响。通过后处理，形成自由配位中心，实现对含有CO混合气的高效分离效果。实验过程优化了MOF膜的制备工艺，最优条件下CO/H2分离系数达到10，同时CH4无法透过该MOF膜，及CO和CH4可以实现完全分离。此外，在本项目的资助下，还开展了MOF—C材料的制备和电学性能研究，并获得了一系列的研究成果。在项目执行期间，在Chemical Communications等期刊上发表了SCI/核心研究论文5篇（已标注），其中，SCI论文4篇。申请发明专利1项（审查阶段），完成了预期项目指标和任务。