MOF/CNT/CTA表界面结构调控及复杂气体吸附机理研究

This project, based on the inorganic and organic compatibility theory and the structure and performance relations theory, employing metal-organic framework and interface structure and carbon nanotubes to regulate and control cellulose acetate sheet, and designing the MOF/CNT/CTA composite system, aims to study relationship between the MOF/CNT/CTA surface and some complex gas adsorption like cigarette smoke gas. Based on relevant experiments, this project will try to fulfill the following targets: to study the relationship between the classification mechanism and solid structure of harmful gases in smoke gas, from the angels of electronic effects, hydrophobic interactions and steric hindrance effect; to explore the selevtive effects of metal organic framework materials and carbon nano-tube on gas; to probe into several relevant physical and chemical issues about the influences of the above materials on smoke gas; to detailedly study carbon nanotubes' selective adsorption of nitrosamines, polycyclic aromatic hydrocarbons, phenols, carboxylic acids and tar molecules; to analyze metal organic framework materials' selective absorption mechanism of carbon monoxide, hydrogen sulfide, hydrogen cyanide and ammonia; to study the compatibility and the compatibilizing mechanism of acetate fibers, metal organic framework materials and carbon nanotubes, so as to design and prepare materials with high selective adsorption of complex gas. The above targets provide the important issue of structure of solid surface and interface and the selective adsorption of complex gas with innovative and effective research tools and methods.

本课题基于无机与有机相容理论及结构与性能的关系理论，以金属有机框架和碳纳米管调控醋酸纤维表界面结构，设计制备MOF/CNT/CTA复合体系，研究其表界面结构与卷烟烟气等复杂气体吸附的关系。在性能表征和吸附性能等实验研究基础上，从分子间电子效应、疏水作用和空间位阻效应的角度研究烟气中有害气体分类机制和固体结构间的关系；研究金属有机框架材料和碳纳米管的结构对气体吸附的选择性影响，探索该类材料对卷烟烟气成份吸附机理等若干基础性物理与化学问题。重点研究碳纳米管对亚硝胺、多环芳烃、酚、羧酸等焦油分子的选择性吸附机理及金属有机框架材料对一氧化碳、硫化氢、氰氢酸和氨等无机分子选择性吸附机理。研究醋酸纤维、有机金属框架材料及碳纳米管相容性及其增容机理，设计并制备对复杂气体具有高选择性吸附的材料。为调控固体表界面结构及复杂气体选择性吸附等重要问题提供新颖有效的研究手段和方法。

空气净化或卷烟降焦的关键是气体污染物的吸附与分离技术，而气体吸附的吸附效率及选择性与材料结构之间的关系、吸附-解吸附机理以及吸附材料表界面性能对吸附解吸附的影响等问题是制约吸附材料性能的关键因素，我们针对这些科学问题进行了深入研究，探索开拓了系列基于金属有机框架材料/碳纳米管/醋酸纤维合体系的过滤及吸附材料。根据研究计划和研究内容，研究工作主要包括：1) 设计并制备了金属有机框架材料，研究了其对不同组群烟气的吸附性能、调控结构、研究了不同结构对气体的吸附选择性；2) 研究了不同表面改性条件下的碳纳米管的表面能，研究了其对不同组群烟气的吸附性能；3) 原位沉积制备了MOF/CNT，研究了二元复合体系表面性能，制备了稳定性好且具有对气体选择性吸附的MOF/CNT二元复合材料；4) 研究了醋酸纤维表面改性的影响因素，研究碳纳米管与醋酸纤维的结构与相容性的关系，研究了CNT与醋酸纤维复合体系吸附性能；5) 研究了MOF/CNT二元复合体系和醋酸纤维结合形成MOF/CNT/CTA三元复合体系的物理与化学机理，碳纳米管对MOF和醋酸纤维复合体系的增容因素，研究MOF/CNT /CTA三元复合体系三元复合体系性能及其吸附性能。这些方面的研究取得了很好的研究结果，项目进行期间获得授权专利3项，其中1项为第一完成人，2项为第二完成人，申请专利1项；发表论文18篇，其中SCI收录10篇，其中2区5篇，3区4篇，在投文章4篇，培养研究生9人，其中毕业5人，在读4人。对照计划书目标任务，课题组圆满完成了预定的研究任务。该课题的部分研究结果将在卷烟、工业废气治理、汽车尾气吸收等众多领域具有理论价值和应用价值。