《脫氧金屬有機骨架材料(MOFs)的構建及水敏性失活機理研究》是依託太原理工大學，由楊江峰擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：脫氧金屬有機骨架材料(MOFs)的構建及水敏性失活機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：楊江峰
- 依託單位：太原理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
可燃氣體中氧氣的存在無疑使其淨化和套用都非常危險，利用可逆吸氧劑能夠實現安全高效脫氧。金屬有機骨架（MOFs）材料是一種微多孔功能材料，且由亞穩態的金屬 Cr和Fe配位的MOFs系列材料（Cr3(BTC)2和Fe2(dobdc)）具有可逆吸氧性能，但存在嚴重的水敏性失活問題，痕量水分子既可以嚴重破壞材料的可逆吸氧性。首先採用遠離水的方式，受人體血液血紅蛋白中由Fe2+配位的卟啉具有憎水與載氧雙功能性能啟發，運用仿生學原理先期選擇帶有憎水性基團的配體合成與後期憎水性基團加入兩種手段研究構建並製備新型憎水性可逆吸氧MOFs材料；其次從不懼怕水的角度考慮，基於Mn和V具有比傳統吸氧金屬配合物Cr和Fe系列更穩定的價態，研究製備可以脫水的可逆吸氧MOFs材料。關聯材料的金屬類型、配位與構建方式及水氧的競爭性吸附性能，為尋找抗痕量水分子失活的可逆吸氧MOFs材料提供理論支撐，拓展其工業套用奠定基礎。
結題摘要
脫氧是低濃度煤層氣富集過程中要解決的首要難題，本項目擬解決煤層氣脫氧用吸附劑的水敏性缺陷問題，研究水分子侵襲機理的同時得到系列不懼怕水分子的脫氧吸附劑（簡稱脫氧劑），拓展MOFs的工業套用。（1）基於Cr-BTC具有水敏性，而同樣拓撲結構的Cu-BTC不具水敏性，通過水熱合成法和蒸汽相合成法得到了3種不同金屬比例的Cu-Cr-MOFs材料，所得到的吸附劑均具有憎水性，且優先選擇性吸附氧氣。基於此研究思路，課題組還將其他雙金屬組合X-Y-BTC列入了研究計畫，發現在蒸汽相體系中經不同金屬替換後，金屬交換量大大提升，且吸氧量提高。（2）通過DFT模擬構建了X-Y-BTC系列吸氧劑，計算氧氣的吸附能和脫附能並判斷是否適合做可逆脫氧劑，將氧氣吸附能高於40kJ/mol低於80kJ/mol的材料作為理想可逆吸氧劑，並得到單金屬脫氧劑中Ni-BTC和雙金屬M-Ni基吸氧劑具有較好的吸氧性能，完全符合氧氣吸附能理論範圍。（3）通過更簡易的方法得到了Ni和Fe基吸氧劑，研究了氧氣吸附性能，掌握了Fe基脫氧劑的失活規律，而且金屬部分替換後，發現Fe-Ni-BTC具有較好的氧氣吸附能力。（4）研究發現MIL-100V和MIL-101V兩種V基吸氧劑完全不受水分子的影響，反而水分子具有保護吸氧空位的作用。利用DFT模擬計算得出，當水分子保護空位時，氧氣分子不能和空位接觸；當水分子脫除後，氧氣分子會和空位成鍵，達到捕獲氧氣的作用。該工作目前被引5次，美國加州大學伯克利分校J.R. Long 教授在引用我們的工作時認為是V 基吸氧劑的首例，並研究了具有同樣結構的MIL-100Ti的氧氣吸附性能；翌年被美國桑迪亞國家實驗室發表論文引用，借用了我們在MIL-100/101V結構材料的氧氣吸附理論用於MIL-100Sc的氧氣吸附研究。本項目在執行期間，共發表論文15篇（均已標註），SCI收錄13篇（一區4篇），其他被EI收錄（2篇）。就吸附分離裝置和吸附劑製備方面申請中國發明專利6項，截止項目結束共授權3項。2014-2016年度共培養碩士研究生3名，協助培養博士2名，其中一名碩士獲得2015年度研究生國家獎學金。
