功能化MOFs选择性固碳研究

论文总字数：16388字

目 录

1绪论 1

1.1课题研究的现实背景及意义 1

1.1.1 温室气体和温室效应 1

1.1.2 CO₂的排放量 1

1.1.3 CO₂控制对策 1

1.2金属有机骨架材料（MOFs）吸附CO₂研究进展 2

1.3 Cu-BTC简介 2

1.4氨基酸功能化GO的简介 3

1.5本课题的研究内容 3

2 实验材料及仪器 5

2.1实验材料 5

2.2实验所需的主要仪器设备 5

2.2.1表征仪器 5

2.2.2 CO₂动态吸附装置图 5

2.2.3吸附实验过程 6

3 Cu-BTC吸附CO₂的性能研究 7

3.1 Cu-BTC的合成 7

3.2 Cu-BTC表征与分析 7

3.2.1 Cu-BTC的X射线衍射图 7

3.2.2 Cu-BTC的SEM图形貌分析 8

3.2.3 Cu-BTC的BET测试 8

3.2.4 Cu-BTC的IR测试 9

3.3 Cu-BTC的CO₂吸附性能分析 10

3.4本章小结 10

4 L-精氨酸功能化氧化石墨改性的Cu-BTC吸附CO₂的性能研究 12

4.1 改性材料的合成 12

4.1.1改性GO的合成 12

4.1.2改性Cu-BTC的合成 12

4.2 改性后的Cu-BTC的表征和分析 12

4.2.1改性Cu-BTC的X射线衍射图 12

4.2.2改性Cu-BTC的SEM图形貌分析 14

4.2.3改性Cu-BTC的BET测试 14

4.2.4改性Cu-BTC的IR测试 16

4.3改性Cu-BTC的CO₂吸附性能分析 17

4.4本章小结 17

5结论与展望 18

5.1结论 18

5.2展望 18

参考文献 19

致 谢 20

功能化MOFs选择性固碳研究

刘凯

, China

Abstract： With the development of economy, carbon dioxide emissions are increasing year by year. Therefore, it is significant to solve the environmental problems caused by CO₂ by studying the high efficient CO₂ adsorption material. In this paper, the typical Cu-BTC material MOFs is studied and modified by means of experiments to investigate CO₂ adsorption performance of MOFs mixed by amino acid functionalized graphite oxide. The experimental results show that the pore volume of the synthesized Cu-BTC is 0.402cc/g, and the specific surface area is 1020.025m²/g. The pore volume of Cu-BTC loaded with arginine sodium salt functionalized graphite oxide was 0.333cc/g, and the specific surface area was 861.942m²/g. By measuring the adsorption isotherms of CO₂ on several kinds of materials, it is concluded that the addition of specific amino acids can improve the adsorption performance of MOFs for CO₂.

Key words: CO₂, Metal-organic framework material, Cu-BTC, Adsorption, Modified

1绪论

1.1课题研究的现实背景及意义

1.1.1 温室气体和温室效应

大气中存在有一些含量微小但是却能够对气候产生极大影响的气体，这些气体有着可以吸收长波辐射能量，但是却不吸收短波辐射能量的性质。当太阳能量到达大气层时，50%的太阳辐射能量透过大气到达地面，并且被地表吸收，而地表在吸收这些能量后便自身释放出长波辐射。由于这类气体有着吸收长波辐射的性质，这些辐射会被吸收并且再次朝着地表被放射回来。经过这样的长期循环之后，地表和地表附近对流层的温度便会不断的升高。而在夜晚的时候，虽然没有了太阳辐射的能量，但是由于这些气体仍然会继续向地面发射长波辐射，地表的温度也不至于降低而变冷。由于整个升温和保温的过程类似大棚温室的原理，这一类气体便被称为“温室气体”，而它们所带来的影响则称为“温室效应”^[1]。本文重点研究吸附的CO₂便是其中一个最为主要的气体。

1896年4月，瑞典科学家Svante Arrhenius在《伦敦、爱丁堡、都柏林哲学与科学杂志》上发表题为“空气中碳酸对地面温度的影响”的论文，这是人类针对大气中CO₂浓度对地表温度影响进行量化的首次尝试，也是世界上第一个对人为原因造成的全球温度变化所做的估计^[2]。自工业革命以来，全世界每年因为燃烧煤炭、石油和天然气等化学燃料产生的CO₂总量折合成碳大约是6Gt，每年由于土地利用变化和森林破坏释放的碳大约为1.5Gt，一共7.5Gt。这些碳经由海洋和陆地生物圈可被吸收大约3.7Gt，因此大气中碳的净增加大约是3.8Gt每年。可以看出，每年排放到大气中的CO₂仍约有50%留在大气中。现在，随着经济和社会的发展，能源的需求量还将大大增长，CO₂浓度还会继续增长^[3]。与此同时，众多的研究表明，由于CO₂排放增加而引发的温室效应加剧的现象，将会造成诸如气候变暖，冰川融解等众多全球性问题。因此，在倡导节能减排的同时，我们也需要对排放到大气中的CO₂加以控制。

1.1.2 CO₂的排放量

根据荷兰环境评估局(MNP)的评估报告可以发现，中国早在2006年至2007年之间便以62.3公吨的排放量超过美国成为世界第一的CO₂排放大国，并且在2007年这一时间段内，中国的CO₂排放量甚至已经占到了全世界CO₂排放量的24.3%，达到了67.2公吨，其增量占世界总增量的将近60% ^[4-5]。

因为煤燃烧而产生的CO₂是我国产生CO₂最为主要的方式，其排放量占我国排放量的75%以上。因此，研究如何控制热电厂的CO₂排放量对我国温室效应气体排放的控制，解决全球变暖和温室效应的问题具有极其重要的意义^[6]。

1.1.3 CO₂控制对策

CO₂的捕集从本质上来说就是一种将气体进行分离过程。结合化石燃料使用的工艺过程，目前有3类技术可用于从固定排放源捕集CO₂，即:燃烧前分离，燃烧后分离，以及氧燃烧三种方法。三种方法各有所长，但也各有不足，大致如表1.1所示。

目前广泛使用的CO₂捕集技术就是燃烧后分离技术，这种技术不仅比较适用于新建电厂的CO₂排放处理，对现有电厂在经济和工程方面的改造也是更加有效的选择。

1.2金属有机骨架材料（MOFs）吸附CO₂研究进展

金属有机骨架配合物(metal-organic frameworks, MOFs)，又称多孔配位聚合物(porous coordi-nation polymers , PCPs)，通常是指由金属离子或者金属簇和有机配体通过自组装过程形成的具有周期性无限网络结构的晶态材料，因此，这类材料兼备了有机高分子和无机化合物两者的特点^[7]。此外，金属元素和有机配体种类以及配位方式的多样性也决定了MOFs种类和功能的多样性(如磁性、光学性质和催化作用)。所以通过对已经合成的MOFs进行后修饰，可获得结构、种类及性质功能更为多样的MOFs，为MOFs在各领域的应用提供了更多的可能^[8]。

最初将MOFs材料应用到气体吸附和存储领域时的主要研究方向都集中在储氢的研究上。但随着研究的深入，不少的实验都表明，MOFs在CO₂的吸附和存储领域也有着较好的表现。因此，随着MOFs材料合成技术的提高，一系列沸石咪唑酯骨架材料(zeolitic imidazolate frameworks，ZIFs)被合成出来^[9]，由于该材料的孔道大小与CO₂分子的大小(动力学直径0. 33 nm)相近，且链接体上的N原子与CO₂的C原子间存在很强的四极矩相互作用力，从而使得其拥有超高的CO₂选择性。并且由于MOFs材料自身所拥有的高比表面积和高孔隙率，其对CO₂的饱和吸附量远远高于传统的绝大多数多孔材料，因而极大的展现出了它们用于CO₂吸附和分离的优越性^[10]。

1.3 Cu-BTC简介

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