刚柔结合的分离能手

2025-04-03 21:15:00

作为一种清洁且分布广泛的气体能源,天然气在近十几年来受到了全球各国的重视。但是在常温常压下,天然气较低的体积能量密度给其运输与车载带来了很大的挑战。利用多孔材料对天然气进行吸附储存,在化学家们看来是一种可行的办法。柔性金属有机骨架的出现,为解决该问题带来了一线曙光。

那么,什么是金属有机骨架(metal-organicframeworks,MOFs呢?它们是由带有羧酸或氮的有机桥联配体与无机金属离子依靠化学自组装过程,以无机金属离子或簇、链为节点,以有机桥联配体为支撑,形成的拥有三维网格状结构的有机—无机杂化固态晶体材料。

MOFs材料孔隙度和比表面积高密度低、结晶度高、结构均一、孔道尺寸和化学结构可控性强,是继沸石、活性炭、碳纳米管之外的一大类多功能材料,在天然气脱水、储存及气态混合物吸附分离等众多领域具有潜在应用前景。

MOFs材料领域中,有一类受外界刺激引起结构变化的柔性MOFs材料。柔性MOFs具有两种或者多种稳定的结构状态,这些结构状态之间可以发生可逆转化,并且至少存在一种结构能够容纳客体分子,因此其结构具有可控吸附客体分子的特点。这类柔性材料具有独特的S形阶梯吸附曲线能够保证在高压下稳定吸附CH4,同时又具备在低压下快速解吸CH4的能力。

除此之外,还有一类刚性MOFs材料应用在天然气脱水领域,比较出名的是KAUST-8,它是一种水解稳定的氟化MOFs材料,其在收缩的方形一维通道内,具有周期性的开放金属配位点和氟排列,具有可观的吸水能力。传统的吸附剂如活性氧化铝或无机分子筛的再生(解吸)步骤所需能量较高(加热至约200℃),这不仅会延长每个吸附—解吸循环时间,还会促使吸附剂孔内的碳累积(焦炭形成)。

KAUST-8作为吸附剂时,其再生温度相对适中(约105℃),所需能量大约是分子筛等常用干燥剂的一半。因此,KAUST-8有潜力应用于天然气脱水领域。

近几年来,研究者们利用柔性MOFs对小分子气体独特的识别作用,已将柔性MOFs的吸附领域扩展到了CO2H2C1C3的低碳烃、C4C6的中链烷烃、醇类等,柔性MOFs引起了越来越多研究者们的关注。

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