[发明专利]具有提高的气体吸附容量的活性炭-金属有机骨架复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及提供具有提高的气体吸附容量的活性炭-金属有机骨架复合材料(ACMOF)。更具体地，本发明涉及一种在选定类型和适量的活性炭存在下制备金属有机骨架材料(MOF)的方法，以使其与不使用活性炭合成的MOF相比具有增加的甲烷气体吸附容量。

背景技术

以甲烷为主要成分的天然气(NG)已经作为供车辆应用的潜在燃料而为人所知晓。已有使用压缩天然气(CNG)的车辆在道路上行驶。然而，使用CNG有利也有弊。使用吸附天然气(ANG)可以作为替代。考虑到ANG的潜力，美国能源部(DoE)已将用于车辆应用中的甲烷存储目标设定为在3.5MPa和298K下为180v(STP)/v[STP是标准温度(298K)和压力(0.1MPa)]。对开发高效的材料和提高已知材料如多孔硅酸盐、炭和MOF的容量进行的研究一直在进行，以将其作为甲烷存储的手段。虽然每个现有技术在一定程度上发挥作用，但为了达到DoE的目标，更高效的存储材料是必需的。在活性炭中获得的最高的甲烷存储容量为约200v/v[Wegrzyn，J.和Gurevich，M.，“Adsorbent storage of natural gas”，Appl.Energy，55，71-83(1996)]，尽管在处理活性炭上已做出了巨大的努力。

金属有机骨架材料(MOF)是一类新的纳米多孔材料，其在分离过程、催化和气体存储方面具有潜在的应用。MOF通过使用有机连接分子和金属簇而合成，它们自组装形成具有分明的空隙，高表面积和所期望的化学功能的材料。因为这些有吸引力的性能，MOF是用于CO₂捕获以及甲烷和氢气存储的有前途的候选材料。

已对多种MOF进行筛选用于甲烷存储[Wang，S.，“Comparative molecular simulation study of methane adsorption in metal-organic frameworks”，Energy&Fuels，21，953-956(2007)；Noro，S.，Kitagawa，S.，Kondo，M.，Seki，K.，“A new，methane adsorbent，porous coordination polymer[{CuSiF₆(4，4’-bipyridine)2}n]”，Angew.Chem.Int.Ed.，39，2081-2084(2000)；Kondo，M.，Shimamura，M.，Noro，S.I.，Minakoshi，S.，Asami，A.，Seki，K.，Kitagawa，S.，“Microporous materials constructed from the interpenetrated coordination networks.Structures and methane adsorption properties”，Chem.Mater.，12，1288-1299(2000)；Bourrelly，S.，Llewellyn，P.L.，Serre，C.，Millange，F.，Loiseau，T.，Ferey，G.，“Different adsorption behaviors of methane and carbon dioxide in the isotopic nanoporous metal terephthalate MIL-53 and MIL-47”，J.Am.Chem.Soc.，127，13519-13521(2005)；Düren，T.，Sarkisov，L.，Yaghi，O.M.，Snurr，R.Q.，“Design of new materials for methane storage”，Langmuir，20，2683-2689(2004)；Ma，S.，Sun，D.，Simmons，J.M.，Collier，C.D.，Yuan，D.，Zhou，H.C.，“Metal-organic framework from an anthracene derivative containing nanoscopic cages exhibiting high methane uptake”，J.Am.Chem.Soc.，130，1012-1016(2008)]，但是只有少数能达到DoE的目标。例如，Düren等提出了甲烷吸附容量为181v(STP)/v的理论MOF(IRMOF-993)[“Düren，T.，Sarkisov，L.，Yaghi，O.M.，Snurr，R.Q.Design of new materials for methane storage”，Langmuir，20，2683-2689(2004)]。Ma等合成了名为PCN-14的MOF，其给出了到目前为止最高的甲烷吸附容量230v(STP)/v[Ma，S.，Sun，D.，Simmons，J.M.，Collier，C.D.，Yuan，D.，Zhou，H.C.，“Metal-organic framework from an anthracene derivative containing nano-scopic cages exhibiting high methane uptake”，J.Am.Chem.Soc.，130，1012-1016(2008)]。然而，他们使用了晶体密度而不是堆积密度来达到这个值。