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基于精准孔道分区突破Trade-off效应实现金属-有机框架高效气体吸附分离性能研究

批准号:
22071140
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
翟全国
依托单位:
学科分类:
配位化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
翟全国

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
突破气体吸附分离过程Trade-off效应,即分离选择性和吸附容量难以兼具的矛盾,是高效气体吸附剂开发的关键科学问题;本项目提出“基于孔道分区突破Trade-off效应”的创新思路,立足于金属-有机框架孔道分区减小孔径尺寸和分区体增加孔壁界面的协同效应,最大限度提升孔域的利用效率而突破Trade-off效应;拟发展开放金属位点配位分区、框架电荷平衡体分区和超微孔次级构筑单元分区等三类精准孔道分区策略,协同提升金属-框架的稳定性,降低吸附剂的再生能耗;利用等温吸附容量、吸附焓、IAST分离比、固定化床穿透实验和GCMC理论模拟等手段,阐明孔道分区调控气体吸附分离性能的关键机制,建立基于孔道分区突破Trade-off效应的评价体系;本项目通过孔道分区突破Trade-off效应而实现金属-有机框架兼具高吸附容量和高分离选择性,有望为高效吸附剂材料的开发和常温吸附分离技术的发展提供独特的解决方案。
英文摘要
A key scientific issue for the development of efficient gas adsorbents is to break through the trade-off effect during the gas adsorption and separation process, that is the contradiction between the separation selectivity and the adsorption capacity. In this project, we proposed a promising pore space partition strategy to break through the trade-off effect. In this strategy, the sieve effect of small pore sizes generated by pore space partition in metal-organic frameworks will effectively improve gas separation selectivity. At the same time, the partition species inserted during the pore space partition process can further promote the adsorption capacity. Such a synergistic effect will help to achieve the effective utilization of whole pore space and thus break through the trade-off effect. Three new strategies for accurate pore space partition will be established, including open metal site coordination partitioning, framework charge-balanced species partitioning and ultramicroporous secondary building unit partitioning. The isothermal gas adsorption, IAST separation calculation, isothermal heat of adsorption, gas breakthrough in a fixed bed and GCMC theoretical simulation will be combined together to evaluate the effect of pore space partition strategy on the gas adsorption and separation performance. A general scheme to break through the trade-off effect of metal-organic frameworks will be established. Overall, this project aims to develop super metal-organic framework materials with high gas adsorption capacity as well as high gas separation selectivity by breaking through the trade-off effect via pore space partition. The progress of this proposal is expected to provide a unique solution for not only the exploration of efficient adsorbent materials but also the development of adsorption and separation technology at room temperature.
气体吸附剂材料普遍存在Trade-off效应,即分离选择性和吸附容量难以兼具的现象,如何突破吸附分离过程Trade-off效应是当下高效气体吸附剂开发的科学前沿问题。本项目针对突破气体吸附分离过程Trade-off效应,创造性提出了金属-有机框架材料的孔道分区新思路。基于拓扑学设计思想,重点立足[M3(O/OH)(COO)6]三核氧心簇构筑单元,通过有机配体尺寸、开放金属位点几何分布和孔径尺寸等因素的调控,系统发展了开放金属位点配位分区、框架电荷平衡体分区和超微孔次级构筑单元分区等三大类精准孔道分区策略。通过单晶结构解析,在分子水平上揭示了孔道分区对金属-有机框架孔形状、孔径尺寸及孔壁界面等调控的规律。系统评价了金属-有机框架孔道分区实施前后结构的差异,揭示了各类分区策略对目标材料稳定性的影响,探究了活化材料的小分子气体吸附性能,评价了孔道分区策略对目标材料孔性特征的调变规律。探究了金属-有机框架与气体分子之间作用力在孔道分区前后的变化,阐明了孔道分区策略提升金属有机框架材料二氧化碳、低碳烃小分子气体吸附容量的微观机理。以二氧化碳/低碳烃等双组分或多组分混合气体为对象,借助IAST理论计算获得了目标材料对混合气体的静态分离选择性系数,采用固定化床气体穿透分离实验,考察了温度、压力等因素对穿透时间的影响,评价了目标材料对混合气体的动态分离性能,探究了孔道分区策略对气体分离选择性的影响规律。关联上述金属-有机框架准孔道分区-吸附容量-分离选择性研究结果,探究了孔道分区调变孔形状、孔径尺寸及孔壁界面对气体吸附分离性能的影响,阐明了金属-有机框架材料孔道分区对气体吸附容量和分离选择性协同调控的关键机制,开发了系列高性能金属-有机框架吸附剂材料。项目执行期间共计发表原创研究论文49篇,相关研究结果为开发兼具高分离选择性和大吸附容量的高效气体吸附剂这一前沿科学问题提供了独特的解决方案。
基于精准孔道分区突破Trade-off效应实现金属-有机框架高效气体吸附分离性能研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    --
  • 资助金额:
    63万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    翟全国
  • 依托单位:
镁基多孔配位框架材料的设计合成及其在CO2捕集和转化中的应用
  • 批准号:
    21671126
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    翟全国
  • 依托单位:
基于咪唑类离子液体构筑非中心对称功能化合物及其光电性能研究
  • 批准号:
    21271123
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    75.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    翟全国
  • 依托单位:
离子热合成气体吸附和阳离子交换双功能多孔配位聚合物研究
  • 批准号:
    20801033
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    18.0万元
  • 批准年份:
    2008
  • 负责人:
    翟全国
  • 依托单位:
国内基金
海外基金