介孔聚合物限域MOFs复合材料的合成、热力学及CO2捕获性能研究

Metal organic frameworks (MOFs), as a new class of porous materials with extraordinarily high surface areas and diverse structures, show promise for CO2 adsorption and separation. However, the low thermal and hydrothermal stability of MOFs is clearly a limiting factor for practical applications. In this project, MOFs confined in mesoporous polymers are prepared by using mesoporous polymers functionalized with -COOH, -NH2 and -SO3H. The functional groups can be coordinated to metal centers and play roles as active sites or anchors for MOFs growth, indicating high interfacial compatibility. Through tuning the MOFs structures, polymer functionalities, synthesis methods and conditions, the effect of MOF-polymer interactions on structure of the composites is investigated. Thermodynamic properties and hydrothermal stability are researched to throw light on the synergistic mechanism. Furthermore, the correlation of structure and porosity with CO2 adsorption and separation performance is demonstrated. This project presents a new approach for design of MOFs based materials with high stability and interesting CO2 capture performance.

金属有机骨架材料(MOFs)具有极高的比表面积和丰富的骨架结构，被认为是最具潜力的CO2吸附分离材料之一，但MOFs存在热稳定性差、水热稳定性差等问题，限制了MOFs的实际应用。针对上述问题，本项目将MOFs限域到介孔聚合物的孔道内，采用-COOH、-NH2、-SO3H等功能基团修饰的介孔聚合物，以功能基团作为MOFs的生长点或锚点，在介观尺度内构建具有良好界面相容性的介孔聚合物限域MOFs复合材料体系。通过MOFs结构、聚合物功能化基团、合成方法及合成条件的调节，阐明MOFs与聚合物相互作用力对复合材料结构的影响规律；查明复合材料的热力学性质、水热稳定性的影响规律及协同机制；揭示复合材料结构、孔道等方面特性与二氧化碳吸附分离性能的关系。本项目研究成果将为高稳定、高性能MOFs基CO2捕获材料的设计及制备奠定基础。

金属有机骨架材料(MOFs)具有极高的比表面积和丰富的骨架结构，被认为是最具潜力的CO2吸附分离材料之一，但MOFs存在热稳定性差、低压CO2吸附性能有待提高等问题，限制了MOFs的实际应用。针对上述问题，本项目开发了浸渍-溶剂蒸汽法、预先氧化物掺杂法、晶种-二次生长法及原位生长法，成功制备了系列功能化（-COOOH、-NH2）介孔聚合物限域MOFs复合材料，提高了MOFs的热稳定性及CO2吸附性能。我们通过对合成方法及合成条件的调控，阐明了MOFs与聚合物相互作用力对复合材料微结构的影响，探讨了复合材料的合成机理；通过对材料热力学性质的测试，研究了MOFs纳米化及MOFs与聚合物相互作用对MOFs热力学性质及水热稳定性的影响；通过对复合材料CO2吸附行为的考察，揭示了MOFs纳米化及表面缺陷位点对MOFs的CO2吸附分离性能的影响及作用机理。本项目的实施为纳米MOFs技术的发展及高稳定、高性能MOFs基捕获CO2材料的开发奠定了基础。