机械化学法合成小尺寸MOF填料助力高性能CO2分离

耿晨旭，孙玉绣，黄宏亮，郭翔宇，乔志华，仲崇立

（天津工业大学省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室，化学工程与技术学院，天津 300387）

引言

与传统的化石燃料相比，天然气是一种相对丰富、经济和清洁的能源代替品，并且排放的CO2、SO2以及氮氧化物要少得多[1-2]。但由于天然气中含有少量的CO2，其存在通常会降低天然气主要成分CH4的热值并引起设备的腐蚀问题[3-4]，因此，对于天然气的提纯具有十分重要且现实的工业意义。另外，由于燃料燃烧产生大量的CO2造成温室效应，为了减少CO2排放，烟道气中CO2的捕获就非常重要[5-6]。

在众多的CO2分离与捕获手段中，以聚合物为连续相，无机多孔材料作为填料的混合基质膜(mixed matrix membranes,MMMs)在气体分离和纯化中具有广阔的前景。目前，填料材料通常包括碳分子筛[7]、沸石[8]、金属-有机骨架(MOF)[9-15]和共价有机骨架(COF)[16-17]，这些MMMs 一定程度上会改善聚合物膜的分离性能并有可能超过纯聚合物膜的Robeson上限[18]。其中，MOF作为一种新型的多孔材料，具有高孔隙率、高比表面积、纳微级尺寸、可调的孔尺寸、丰富的孔结构等特性，为混合基质膜的制备及改善提供更多的可能。

与其他多孔材料相比，MOF 具有独特的结构多样性，为调节MMMs 提供了新的性能提升平台。一方面，利用骨架的吸附位点来提高气体分离效果。NH2-UiO-66 相对于UiO-66，具有丰富的氨基官能团，对CO2的吸附表现出突出的吸附性能，同时其制备的MMMs 同样表现出良好的CO2分离性能[19]。NH2-MIL-125的MMMs显著提高了聚合物膜的CO2/CH4分离性能[20]。NH2-ZIF-7 引进氨基后，不仅提高了对CO2的吸附能力，还改善了填料和聚合物间的融合度，提高了CO2/CH4分离性能[21]。……