《高性能金屬有機框架基複合矩陣膜的設計與製備研究》是陶凱為項目負責人，寧波大學為依託單位的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高性能金屬有機框架基複合矩陣膜的設計與製備研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：陶凱
- 依託單位：寧波大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
膜分離技術是氣體分離的一條有效途徑，金屬有機框架（MOF）是一種潛在的氣體膜分離材料，然而MOF在通用支撐體上成核密度低，成膜困難。本項目從納米MOF粉體的尺寸、形貌調控入手，採用有機胺對MOF進行功能化，探討功能化MOF的可控制備規律；在此基礎上以多巴胺為偶聯劑耦合功能化MOF與聚合物，製備MOF-聚合物複合矩陣膜。觀測膜結構、揭示成膜規律。一方面， MOF獨特的孔結構促進氣體在膜內的擴散；另一方面，胺的高CO2吸附能力增強矩陣膜的分離性能；此外，多巴胺有利於MOF在聚合物中的分散，減少缺陷。研究複合膜的CO2分離能力，分析膜結構與分離性能間的內在聯繫，並結合計算模擬，探討CO2, CH4, N2, H2在膜內的吸附、擴散機理。最終實現同時具有高通量與高分離性能的膜材料的可控制備，用於CO2/N2、CO2/CH4、CO2/H2等氣體混合物的分離，具有重要意義。
結題摘要
金屬有機框架（MOF）膜在氣體分離領域有具有很好的潛在套用前景。然而，MOF在通用的支撐體上成核密度低，目前MOF膜的生長還僅僅局限於ZIF-8等幾種，還難以通過水熱合成製備高質量、重複性好的 MOF 膜。因此，本項目研究功能化MOF材料與有機膜材料耦合，製備矩陣膜（MMM），研究了CO2吸附、膜分離性能。具體內容如下：通過大量實驗探索，獲得納米MOF（如MIL-101(Cr)–NH2、ZIF-L、ZIF-8等）材料的尺寸及形貌調控規律；通過後合成共價修飾實現在MIL-101(Cr)–NH2上引入不飽和羰基基團，功能化MOF的熱穩定及CO2/N2分離能力較未功能化MOF有顯著提高，CO2/N2由原來的10.93增大至16.44；通過耦合自組裝技術和相轉化技術，利用多巴胺作為偶聯劑，將功能化納米MOF（MIL-101(Cr)–NH2）粉體與PMMA進行耦合，構建功能化MOF-聚合物混合矩陣膜。獲得了膜層結構、分離性能調控規律，最佳化條件下製備的MMM膜與純的PMMA膜相比，H2通量提高了3個數量級，並且保持了較高的H2/CO2分離係數（13）。此外，還拓展了ZIF-L膜材料的套用範圍，以ZIF-L膜為模板合成了一系列納米片陣列作為超級電容器的整體電極材料。電極材料表現出優異的電化學儲能性能。組裝的超級電容器器件的能量密度和功率密度可分別達40 Wh kg-1和850 W kg-1以上。
