用于CO2和SO2捕获的四羧酸基MOFs的合成

作     者：刚书旗 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜建龙

授予年度：2024年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：金属有机框架 晶体结构 气体吸附与分离 染料吸附 

摘      要：金属有机框架（MOFs）是由有机配体与金属离子或金属簇构建的多孔材料,拥有大比表面积、高孔隙率、孔径尺寸可调等诸多特点,在气体吸附和分离、染料吸附、催化、载药等领域得到了广泛应用。 本文基于双咔唑配体构建了三个新型MOFs（Q1、Q2和Q3）,X-射线单晶衍射测试表明Q1、Q2和Q3均呈现三维网状结构,同时改进了以对苯二胺四羧酸为配体Zr-MOF（Q4）的合成方法,实现了Q4的简单合成,通过PXRD和TG验证了Q1、Q2、Q3和Q4的相纯度和热稳定性,通过SEM分析,观察了Q1、Q2和Q4的形貌。 Q1的气体吸附实验表明:在298 K和100 kPa时,CO2的吸附量为21.11 cm3/g,CO2/N2（v/v:15/85）的IAST选择性为347.37。混合气体的穿透实验进一步证明了Q1对CO2/N2气体分离性能,而且气体吸附实验后框架依然保持稳定,表明Q1在CO2的分离纯化方面具有潜在的应用价值。Q1的染料吸附实验表明:Q1可以选择性吸附Rh B,符合Langmuir模型,对Rh B的最大吸附量为99.78 mg/g,吸附过程符合准二级动力学方程,是放热过程,低温有利于吸附,经过三次循环使用后,Q1仍能保持完整的骨架结构,表明Q1有较好的循环利用性能和实际应用潜力。 Q2气体吸附实验表明:在298 K和100 kPa时,其对SO2吸附量为91.28 cm3/g,对SO2/CO2、SO2/N2和SO2/CH4具有较高的选择性。穿透实验进一步证明了其实际应用能力。GCMC模拟结合密度泛函理论（DFT）计算揭示了SO2、CO2、N2分子的吸附位点和结合能,进一步验证了实验结果。 Q4气体吸附实验表明:Q4具有较高的SO2吸附能力,在298 K和100 kPa时SO2吸附量达到223.21 cm3/g,经过六次吸附-解吸循环后,SO2的最大吸附量仍保持在200cm3/g以上,穿透实验证明了其可以在干燥和相对湿度（RH）为50%的条件下,能够一步实现从四组分N2/CO2/O2/SO2烟道气中分离SO2。GCMC模拟和密度泛函理论（DFT）计算结果表明Q4优先吸附SO2,为未来设计高效吸附SO2的MOF提供了参考。