[发明专利]氮掺杂生成含有混合配体的锆基有机金属框架物吸附剂及制备方法和应用

说明书

本发明公开氮掺杂生成含有混合配体的锆基有机金属框架物吸附剂及制备方法和应用，将有机配体源和金属源加入到溶剂中，搅拌均匀；在125‑135℃加热5‑7h，进行反应，然后，分离，得到沉淀样品，烘干，得到粉末；将粉末进行加热活化即可。本发明的锆基有机金属框架物利用前驱体和配体反应生成混合配体，其高吸水能力归因于亲水性官能团的引入，在MOFs内部形成更多的微孔，增强了水与MOFs之间的结合能。Lennard‑Jones势、静电势、感应相互作用以及导致水和锆基有机金属框架物之间的整体增强相互作用的高阶相互作用，有助于大吸附容量和快速吸附动力学，可应用于干旱环境中进行快速的空气集水。

技术领域

本发明属于有机金属框架(MOF)纳米材料的制备及太阳能驱动空气集水领域，涉及一种氮掺杂生成含有混合配体的锆基有机金属框架物及制备方法和应用。

背景技术

气候变化、全球人口增长和工业发展导致的淡水危机已成为一项严重的全球性问题，尤其是在干旱的偏远地区。而地球大气中以蒸气和水滴(湿度)的形式存在的水可以约占所有其他淡水资源的10％，相当于在任何时候大气中大约有13000万亿升水可用于解决全球水问题。目前，传统的捕获空气中的水蒸气主要通过捕雾技术和露水收集技术。但是这些技术具有许多缺点，例如需要永久性的高相对湿度(RH≈100％)水平和轻风以利于细网上的结露，这严重限制了适合其应用的地理区域(小区、干旱、沿海)；对于露点和环境温度有极大的依赖并且耗能大等。近年来，基于吸附的集水包括从吸附剂大气中吸水、利用太阳能驱动的水的解吸和冷凝收集，并且不受时间和空间限制进行运行，这为解决全球日益严重的淡水危机提供了一种绿色、高效的新途径，尤其是在干燥偏远地区。在这一技术领域，开发在低湿度环境下具有优异的吸水性能、快速的吸附-解吸过程、高循环性能和水稳定性则成为实现此技术路径的关键所在。

考虑到干旱地区集水的实用性，基于吸附的集水性能在很大程度上取决于吸附剂。包括氯化钙、硅胶和沸石在内的传统干燥剂与水分子具有很强的亲和力，导致它们的能量密集型再生，导致工作效率低下。CaCl₂和LiCl等吸湿性盐类具有优异的吸水性，但在实际操作过程中存在颗粒团聚和颗粒减少的缺点。具有高吸附容量和循环稳定性的水凝胶更适合吸附动力学相对较慢的高湿度地区的水。金属有机框架(MOFs)是一种由金属节点和有机配体通过自组装构成的新一代多孔材料，以其独特的孔隙率、合成可调性以及由此产生的化学和结构多样性而著称，是调节水吸附动力学和热力学的理想材料。可通过对MOFs进行原子/分子水平的设计调控，如调节金属和有机配体的电子、空间效应以调节其热力学和动力学；通过有利配体替换、引入官能团或缺陷以优化吸水特性以及吸附循环稳定性。因此MOFs具有：(i)对水的化学稳定性，(ii)可调节的亲水性；以及(iii)可调孔径，以微调吸附曲线并调节吸附动力学的优点。Yaghi和Wang等人作为吸水剂的先驱证明锆基有机金属框架物MOF-801在低湿度环境下具有陡峭的吸水行为，并基于三维多孔结构深入探索了该类MOF的吸水机理。然而，由于MOF-801在实际集水应用中的吸附动力学相对较慢，需要一夜之间才能达到吸附饱和。较慢的吸附动力学成为吸附剂在空气集水领域尤其是在干燥环境中的一个发展瓶颈，影响了实际的运行效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种氮掺杂生成含有混合配体的锆基有机金属框架物及制备方法和应用，该方法制备的锆基有机金属框架物能够有效提高锆基有机金属框架物的在低湿度环境中的吸水能力。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

氮掺杂生成含有混合配体的锆基有机金属框架物吸附剂的制备方法，包括以下步骤：

将有机配体源和金属源加入到溶剂中，搅拌均匀；然后在125-135℃恒温加热5-7h，进行反应，然后冷却，分离，得到沉淀样品，烘干，得到粉末；

将粉末进行加热活化后，得到氮掺杂生成含有混合配体的锆基有机金属框架物吸附剂。

本发明进一步的改进在于，有机配体源包括富马酸和水合肼。