[发明专利]一种微孔Cu-MOF材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种微孔Cu‑MOF材料及其制备方法和应用，一种微孔Cu‑MOF材料，其化学式为CuTIPA·n(DMF)(n＝1‑3)，其中TIPA^2‑为5‑(三唑‑1‑基)间苯二甲酸阴离子，DMF为N，N‑二甲基甲酰胺，该微孔Cu‑MOF材料具有较好的水蒸气稳定性和有机溶剂稳定性。气体吸附测试结果表明该材料对CO₂具有较好的选择性吸附性能，以及对CO₂/N₂和CO₂/CH₄有着较好的选择性分离性能，可应用于发电厂排放废气中CO₂的捕获分离和天然气的纯化等领域。

技术领域

本发明涉及金属-有机框架材料制备的技术领域，尤其涉及一种微孔Cu-MOF材料及其制备方法和应用。

背景技术

自工业革命以来，随着社会工业的发展，人们对煤，石油以及天然气等化石燃料的燃烧来获取能量的依赖程度越来越高，这也导致了大气中的CO₂的浓度急剧增加，对气候，生态系统造成了重大的影响，这将危及到人类社会的可持续发展。据统计，目前全球百分之六十的CO₂来自于发电厂排放的废气，废气的主要成分有CO₂、N₂和水蒸气等其它少量杂质气体。所以在燃煤或燃气发电厂中安装有效的，有选择性的CO₂捕获装置是非常必要的，这一举措将极大的减少全球二氧化碳的排放量。目前，工业上主要用有机胺对发电厂废气中CO₂的捕获，然后在高温条件下进行脱除，但是此方法存在设备腐蚀严重及脱附过程能耗高等诸多问题。因此，探索能够选择性捕获二氧化碳的新材料迫在眉睫。

在过去的几十年中，包括离子液体(ILS)、沸石、多孔炭、多孔有机聚合物、共价有机骨架(COFs)和金属-有机骨架(MOFs)在内的几类材料已被开发用于发电厂废气中CO₂的捕获和转化。其中，金属有机骨架(MOF)(也称为多孔配位聚合物(PCPs))是一种结晶的多孔材料，其具有由金属中心(金属离子或金属团簇)和桥接的有机配体自组装形成的周期性网络结构。与传统活性炭和分子筛等多孔材料相比，MOFs材料具有拓扑类型丰富、孔径可调、孔隙率高、易功能化等特点。因此，多孔金属有机骨架在气体储存、分离、催化、药物输送和荧光识别等领域得到了广泛的应用。MOFs由于其结构的可设计性和孔道环境可协调性以及合成工艺简单、吸附和解吸可逆、能量要求低、气体捕获能力强等优势，在气体的储存与分离领域表现出了良好的应用前景。在过去的几十年里，科学家们设计和构建了大量新的MOF材料。科学家们可以通过引入开放金属空位点(OMSs)以及用N，O，Cl，-NH₂，-COOH等极性原子与极性基团来修饰MOF材料的孔道来增强CO₂气体分子与框架之间的相互作用力，从而提升选择性捕获CO₂的能力，并取得了不错的进展。这些优异的性能是以往的多孔材料难以比拟的。然而与传统的多孔材料相比，很多MOFs材料的框架稳定性处于劣势，大多数新报道的MOFs在水蒸气中的稳定性差，在与水蒸气接触之后容易发生框架的部分甚至全部坍塌。另外，目前已报道的一些水蒸气稳定性较好的MOF，又面临着CO₂吸附量与选择性不高的问题，这就严重限制了其在实际CO₂捕获分离方面的应用。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于，提供一种微孔Cu-MOF材料及其制备方法和应用，旨在克服现有选择性捕获CO₂中存在的设备腐蚀严重和脱附过程能耗高，以及现有的选择性捕获CO₂的MOFs材料不同时具备框架水蒸气稳定性高、CO₂吸附量和选择性高等缺陷。

为了达到上述发明目的，进而采取的技术方案如下：

一种微孔Cu-MOF材料，其化学式为CuTIPA·n(DMF)(n＝1-3)，其中TIPA^2-为5-(三唑-1-基)间苯二甲酸阴离子，DMF为N，N-二甲基甲酰胺，TIPA^2-的结构简式如下：