項目的名稱高效多孔金屬的有機骨架MIL

1、項目名稱：高效多孔金屬有機骨架MIL-101材料的合成及吸附性能研究 來源：第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品小類：能源化工大類：自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文簡介：本文采用一步法無需后續(xù)活化處理，合成純凈的金屬有機骨架MIL-101材料；分析了其表面積 及孔體積，并測定了氮氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、丙烯等氣體在MIL-101上的吸附性能。 結(jié)果表明MIL-101是一種高比表面的多微孔材料。MIL-101對氣體的吸附性能結(jié)果顯示:MIL-101 能從混合氣體中高效吸附分離一氧化碳、二氧化碳；并對丙烯丙烷具有很大的吸附量，有望成 為新一代高效吸附分離及氣體儲存材料。詳細介紹：金屬有機骨架（MOFs）材料是上世紀(jì)九十

2、年代才被首次合成并發(fā)表出來的新型多孔材料，而其 中MIL-101材料作為金屬有機骨架的一種是在2005年由Ferey課題組首次報道出來的。通過大 量文獻閱讀與性能對比分析發(fā)現(xiàn)，MIL-101不但具有較輕的骨架密度、超大的比表面積以及骨架 中含有大量不飽和金屬活性位的特點，而且克服了傳統(tǒng)金屬有機骨架材料穩(wěn)定性差的缺陷，所 以我們選擇MIL-101作為氣體吸附分離的研究材料。我們首先以MIL-101合成方法的改進作為 研究重點，以將MIL-101材料低成本、規(guī)?；a(chǎn)作為目標(biāo)，最終突破性地研發(fā)出MIL-101的 一步合成法。相比于以往的合成方法，本方法不需要繁瑣的后續(xù)活化處理過程，一步即可合成 出

3、純凈的MIL-101材料。因省去了后續(xù)繁瑣純化處理方式，改進了合成技術(shù)，從而大大的節(jié)約 了生產(chǎn)時間與生產(chǎn)的成本。接著，本文用77K液氮溫度下氮氣吸附等溫線分析MIL-101的比表 面積及孔結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明所獲得的MIL-101材料比表面積達3242 m2/g，微孔容積為1.78 cm3/g， 是一種高比表面的多孔材料。在國外其它合成MIL-101的方法中，都有較繁瑣的后續(xù)純化處理， 所以本文所研發(fā)的一步合成法在工業(yè)應(yīng)用方面有著明顯的優(yōu)勢，做到了 “實用性”與“先進性” 相結(jié)合，具有良好的應(yīng)用前景。通過測定常溫（298K）下MIL-101的吸附等溫線，可得MIL-101 吸附一氧化碳的容量達44.

4、2cm3/g，而氮氣的吸附量僅為4.5cm3/g，相差近10倍。其分離系數(shù) 高，能夠含氮氣體中選擇性地高效分離出一氧化碳，這樣在同樣的吸附條件下，所需的吸附劑 量可減少數(shù)倍，提高了過程的節(jié)能減排效果。該材料對于二氧化碳的吸附量為48.9cm3/g，而對 甲烷的吸附量僅為10.7cm3/g，相差接約4.5倍，可以選擇性吸附分離出二氧化碳，因而可應(yīng) 用于天然氣的除雜預(yù)處理。另外，根據(jù)所測得的常溫（298K）下丙烯、丙烷吸附等溫線數(shù)據(jù)， 表明其吸附量高達195.8cm3/g和170.9cm3/g，也可應(yīng)用于高效儲存烯烴、烷烴。綜上所述， 金屬有機骨架MIL-101材料有望成為新一代高效吸附分離及氣體

5、儲存材料；一步法合成方法具 有廣闊的市場前景和經(jīng)濟效益。（收起）作品專業(yè)信息撰寫目的和基本思路撰寫的目的：對于MIL-101的合成方法進行改進，使其適合規(guī)?；a(chǎn)及其氣體吸附分離性能?；?本思路：1.分析現(xiàn)有的MIL-101合成方法，并進行技術(shù)改進，創(chuàng)新地研發(fā)出一步合成法，直接合 成純凈的MIL-101。2.對于所合成的MIL-101的結(jié)構(gòu)進行分析，并與文獻數(shù)據(jù)進行對比；3.考查各種純氣體298K下MIL-101的吸附性能，研究幾個特定系統(tǒng)中的吸附分離效果，分析了其應(yīng)用 前景?？茖W(xué)性、先進性及獨特之處金屬有機骨架MOFs的合成與應(yīng)用還處于起步階段，其中MIL-n系列材料在前幾年才合成出來。本文

6、通過性能對比分析，選取了超大比表面積，穩(wěn)定性好，含有大量不飽和金屬位的MIL-101作 為研究對象，并考察其氣體吸附性能。通過對MIL-101的合成方法進行重點研究，創(chuàng)新地研發(fā)出 MIL-101的一步合成法，不需后續(xù)的活化處理，直接得到純凈MIL-101。因省去后續(xù)處理，大大節(jié) 約生產(chǎn)成本，適合規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義1、本課題研發(fā)出一步合成法，方法簡單，制備成本低，可應(yīng)用于規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)；簡化了合成工 藝，解決了制備過程復(fù)雜、能耗高等問題；2、所制備的MIL-101選擇性高，吸附容量大，可從 含氮氣中高效分離出一氧化碳，提高了過程效果。有望用于合成氣的凈化處理和鋼鐵廠高爐尾氣 等過

7、程中的一氧化碳回收；3、MIL-101還可應(yīng)用于天然氣的凈化預(yù)處理及高效儲存烯烴烷烴， 具有廣闊的市場前景和經(jīng)濟效益。學(xué)術(shù)論文摘要采用水熱合成法不經(jīng)任何后續(xù)活化處理一步合成純凈的金屬有機骨架MIL-101材料；用77K液氮 溫度下氮氣吸附等溫線分析MIL-101的比表面積及孔結(jié)構(gòu)；測定常溫（298K）下氮氣、氧氣、一 氧化碳、二氧化碳、甲烷、丙烯和丙烷氣體在MIL-101上的吸附性能。結(jié)果表明MIL-101的BET 比表面積達3242 m2/g，微孔容積為1.78 cm3/g，是一種高比表面的多孔材料。各氣體的吸附性 能結(jié)果表明:MIL-101結(jié)構(gòu)中不飽和金屬Cr3+提供的活性位能從混合氣體中

8、高效吸附分離COCO2, 并且對丙烯、丙烷具有很大的吸附量，有望成為新一代高效吸附分離及氣體儲存材料。（收起）獲獎情況無鑒定結(jié)果無參考文獻.Catalytic properties of MIL-101 Chem. Commun., 2008, 4192 - 4194 2.Gas AdsorptionProperties of the Chromium-Based Metal Organic Framework MIL-101 J. Phys. Chem. C 2009, 113, 6616 - 662 3.Adsorption of methane on porous metal carbo

9、xylates Journal of Industrial and Engineering Chemistry 15 （2009） 674 - 676 4.Facile Purification of Porous Metal Terephthalates with Ultrasonic Treatment in the Presence of Amides Chem. Eur. J. 2009, 15, 11730-11736（收起）同類課題研究水平概述國外關(guān)于MOFs的研究情況目前，國外開展MOFs材料研究的機構(gòu)較多，他們的研究主要集中在新 型MOFs材料的開發(fā)以及已有MOFs材料的改性上

10、。早在1995年，美國密歇根大學(xué)Yaghi研究小組 就選擇不同的有機分子與Cu(ll)和Zn(II)絡(luò)合，形成結(jié)構(gòu)不同的MOFs。后來他們突破二價金屬 的限制，選擇三價的釩、鐵、鋁、鉻等金屬與對苯二甲酸、均苯三酸合成了結(jié)構(gòu)性質(zhì)獨特的MOFs。 它們相對于傳統(tǒng)吸附材料，具有高孔性比表面積大合成方便骨架規(guī)模大小可變以及可根據(jù) 目標(biāo)要求作化學(xué)修飾、結(jié)構(gòu)豐富等優(yōu)點。MIL-n系列材料是金屬有機骨架MOFs中的一種。從20 世紀(jì)90年代開始，法國拉瓦錫研究所的Ferey研究小組就選擇了一系列鑭系金屬和過渡金屬元素 與戊二酸、琥珀酸等二羧酸配體合成出MIL-n系列材料。在MIL-n系列材料中，MIL-10

11、1具有較 輕的骨架密度和超大的比表面積，骨架中含有大量不飽和金屬活性位，而且克服了傳統(tǒng)金屬有機 骨架材料穩(wěn)定性差的缺陷，在氣體分離、催化及儲存方面顯示出誘人的應(yīng)用前景。目前國外對于 MIL-101的研究主要集中在氣體吸附以及工業(yè)催化方面，同時也有少數(shù)研究者對其合成過程作了 探討。但現(xiàn)有的工作不全面、深入，需要更多研究者關(guān)注。國內(nèi)關(guān)于MOFs的研究情況目前國內(nèi) 外關(guān)于MIL-101的研究主要集中在氣體吸附以及催化方面。在氣體吸附方面，國內(nèi)已有很多企業(yè) 以及研究所等對于不同氣體如CO,CO2,CH4,N2等在MIL-101上的吸附性能進行研究。華東理工大 學(xué)就曾研究了 MIL-101的合成及其對有機揮發(fā)性化合物(VOCs)污染物的吸附/脫附性能，結(jié)果表 明與傳統(tǒng)吸附材料相比，MIL-101材料不僅對甲苯有很高的吸附容量和吸附速率，而且又能使甲苯 較容易脫附，是一種很有前景的吸附VOCs材料。在催