高效吸附分离二氧化碳的富胺磁性框架材料设计及其对磁场响应机理的研究

The adsorbent technology of solid porous material is an effective approach for solving CO2 capture and separation. However, the issues of low capacity and poor selectivity of porous materials for gas adsorption have limited its application. On the other hand, the incorporation of alkylamine will enhance the interaction with CO2, but also greatly increase the cost for regeneration. Herein we propose the combination of the strategies of incorporation of alkylamine and assembly of magnetic nanoparticles into the MOF pores, in which the magnetic nanoparticles can create localized heat in the framework to release the CO2 molecules and reduce the energy cost for desorption, in order to synthesize the alkylamine-magnetic framework materials for highly-efficient CO2 capture. The pore structures, loading amount of alkylamine and magnetic nanoparticle of the as-prepared composite material and the external magnetic field will be analyzed to investigate the mechanism of CO2 selective adsorption and desorption on the composite porous material. In addition, the gas adsorption mechanism of the composite material and the response to external field will be investigated by the combination of computer simulation. The present study will show important application value in the gas separation and environmental science.

固体多孔材料吸附技术是解决二氧化碳捕获与分离问题的有效方法之一。然而多孔材料对二氧化碳选择吸附能力偏低，成为制约其推广应用的瓶颈；另一方面，在多孔材料中通过引入有机胺增强CO2的吸附能力又会造成CO2脱附困难和能耗高的结果。本课题提出设计和制备富含有机胺的金属有机框架-磁性纳米颗粒组装复合多孔材料，磁性纳米颗粒在外场作用下对多孔材料可进行局部加热，从而降低CO2的脱附能耗；我们将系统分析复合多孔材料的孔结构、有机胺注入量、纳米磁性颗粒负载量、外部磁场强弱等因素与CO2吸附性能以及脱附能耗之间的关系；阐明CO2、N2等气体在孔内吸附、脱附的基本规律，以及复合多孔材料吸脱附CO2对外场响应的机理；从而获得具有高吸附量、高选择性、较高稳定性、较低重生能耗，在CO2捕获分离等方面有应用价值的高性能新型固体多孔材料。该研究在气体分离和环境科学领域有较重大的应用价值与学术意义。

较于其它现有传统捕获技术而言，吸附是作为一种具有高节能性特点的优良技术而产生的。不同种类的固体吸附剂因具有低热容的特点，可以极大降低吸附剂再生成本，所以被广泛应用对CO2捕捉的研究之中。此外，对于胺溶液吸收法而言，其腐蚀性和挥发性的问题是固有存在的，但这些问题对固体吸附剂而言，可以被降低到最低程度。因此制备具有高选择性、高吸附速率、实际生产条件下高稳定性、高吸收能力和低再生成本的CO2固体吸附剂显得十分迫切。我们通过4年的研究已完成目标，获得设计和制备富含有机胺的金属有机框架及其复合多孔材料（MFC）的新方法，用于CO2的高效捕获分离，总结复合多孔材料的孔结构, 有机胺注入量，外场强弱等因素，与吸附性能以及脱附能耗之间的关系，阐明气体在孔内吸附、脱附的基本规律，以及复合多孔材料吸脱附CO2对外场响应的机理。获得具有高吸附量，高选择性，较高稳定性，较低重生能耗，在CO2捕获分离等方面有应用价值的高性能新型固体多孔材料。例如我们制备的PPN-6/PEI-165展现出超高的CO2吸附量（4.52 mmol/g），而且没有检测到N2和CH4吸附，显示出非常优异的选择吸附性能。同时也拓展了该类材料衍生物在CO2催化转化方面的研究。项目执行中，已在Advanced Materials、JACS Au等国内外高水平期刊上发表学术论文14篇，申请国家发明专利1项，培养研究生2名以及博士后1名。