新型MOFs材料在化工反应分离应用基础中的若干关键问题

Aiming to overcome the key challenges of porous metal organic frameworks (MOFs) for gas separations and chemical reactions in chemical engineering, we propose to carry out fundamental research on the key issues of novel MOFs for separation and reaction in chemical engineering. The proposed work will focus on: (a) clarify the structure-property relationship between the textural properties and surface chemistry of MOFs, and the adsorption equilibrium kinetics, selectivity, and desorption energy for the separation of multicomponent gases (CO2/CH4/N2/CO/H2O/C2H4/C2H6/C3H6/C3H8); (b) elucidate the relationship between steric position, morphology, physical and chemical properties of the active metal components on functional MOFs, and the catalytic reactivity, selectivity and stability. We intend to (a) develop novel carbon/MOF composites with high adsorption capacity and selectivity for the key gas component from mixtures; (b) develop new MOF catalysts with high reactivity and stability for the typical catalytic oxidation/hydrogenation reactions The proposed work will provide new theories and technologies to significantly improve the efficiency for the separation/purification of valuable industrious gases from CO2/CH4/H2O, CO2/N2/H2O, CO2/CO/H2O, C2H4/C2H6, and C3H6/C3H8 mixtures, and for the oxidation of alcohol to aldehyde/ketone/ester compounds and the hydrogenation of aromatic nitro-compounds to arylamines using functional MOF materials.

针对新一代多孔MOFs材料应用于化工气体分离和化学反应进程中面临瓶颈问题，项目提出研究《新型MOFs材料在化工反应分离应用基础中的若干关键问题》，理论上研究新型碳基MOFs复合材料孔隙结构和表面化学与若干CO2混合物体系的吸附相平衡动力学、选择性和脱附活化能关系；研究金属催化活性组分在MOFs上的空间位置、存在形态及MOFs自身理化性质对其催化活性、选择性及稳定性影响。技术上研制对关键气体组分同时有高容量、选择性和低脱附活化能的新型复合材料；研制用于典型醇类氧化和芳香族硝基化合物加氢反应的高活性和稳定性的新型MOFs催化材料。研究成果将为大幅提高若干工业气体分离效率和典型氧化及加氢反应效率提供新理论技术支撑，具有重要科学意义和应用前景。

围绕在推动MOFs材料应用于化工气体分离和化学反应进程中，面临急需解决进一步增强稳定性、选择性和催化活性等挑战，项目开展了新型MOFs材料在化工反应分离应用基础中的若干关键问题研究。主要从理论上研究揭示了材料组成、合成和表面修饰方法对若干微孔、超微孔MOFs材料的孔隙结构和性能（稳定性、吸附容量和选择性）的影响规律；研究了MOFs复合吸附材料和新型碳材料的制备和改性，提出了增强MOFs水汽稳定性策略，揭示了其孔隙结构和表面化学对其吸附10种小分子气体吸附相平衡和吸附选择性的影响规律；研究揭示了在MOFs 材料上修饰金属催化活性组分的空间位置、存在形态以及 MOFs 材料自身物理化学性质与催化活性、选择性以及稳定性之间的关联规律；在分离和催化材料方面，研制出结构稳定的若干微孔和超微孔MOF材料，对C2H6吸附容量达到2.19 mmol/g，其对乙烷/乙烯和乙烷/甲烷的选择性分别高达4.1和35.9（常温常压下），对丙烯的容量和丙烯/丙烷吸附选择性分别高达7.60 mmol/g和 8.33（常温常压下）；研制出的三种结构稳定新型微孔碳材料和复合材料，对乙烷的吸附容量高达6-8 mmol/g，对乙烷/乙烯选择性为2-3（常温常压下）；这些吸附分离材料的综合性能处于目前国际同类吸附材料最好水平或先进水平前列；研制出国际上首个有序大孔单晶MOFs，使多孔材料的应用可延伸到有序大孔单晶领域，此外，还研制出两种新型具有高催化效率而且稳定的MOFs催化氧化和加氢催化剂，在温和的反应条件下，对醇有氧氧化和芳香族硝基化合物加氢的活性、选择性处于当今国际上同类材料的最好水平或先进水平前列。项目成果有助于发展以新分离和催化材料为核心的、常温高效分离烯烃烷烃等小分子碳氢化合物新技术，发展能在温和条件下对醇有氧氧化和芳香族硝基化合物加氢技术，提供新理论和新技术基础，具有重要科学意义和应用前景。