[发明专利]一种金属有机骨架-氧化石墨烯复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法，具体涉及一种金属有机骨架-氧化石墨烯复合材料的制备方法。

背景技术

随着社会工业化的发展，一系列环境问题也逐渐涌现。其中，全球气候变暖，正是人类社会所面临的最紧迫的问题。人们过度焚烧化石燃料，如石油，煤炭等产生的大量温室气体，是导致全球气候变暖的根本原因。CO₂是主要的温室气体。自社会工业化以来，大气中的CO₂浓度增加了约30％，预计到本世纪末，CO₂浓度将会达到目前水平的双倍或三倍量。如何有效地对CO₂进行捕获和封存，成为了一个研究热点。

二氧化碳捕捉技术是将工业和有关能源产业所生产的CO₂分离出来，再通过碳储存手段，将其输送并封存到海底或地下等与大气隔绝的地方。CO₂捕获和封存是减少CO₂排放，对付全球气候变暖的有力武器。目前CO₂捕获技术主要有化学吸收法、物理吸附法、膜分离法、化学链分离法等。而吸附分离法由于能耗低、技术易实现而备受关注。

常用的物理吸附剂主要有活性炭和分子筛。例如，活性炭、13X和4A在27℃，20.4atm条件下它们的CO₂吸附容量分别达到8.2、5.2、4.8mol/kg。然而，传统的吸附剂普遍存在吸附量较低的问题。因此，研究开发出更高CO₂吸附容量的新型吸附材料是非常必要的。

近年来，金属-有机骨架(Metal-Organic Frameworks，MOFs)材料因具有高比表面积和高孔容，孔径可调、表面易修饰等特性在气体吸附分离等领域展现出很好的潜在应用前景。其中，有法国学者最先合成出的MIL-53材料是一种水热稳定性很好的MOFs材料(C.Serre,F.Millange,C.Thouvenot,M.Nogues,G.Marsolier,D.Louer,et al.,Very large breathing effect in the first nanoporous chromium(III)-based solids:MIL-53or Cr-III(OH)center dot{O2C-C6H4-CO2}center dot{HO2C-C6H4-CO2H}(x)center dot H2Oy,Journal of the American Chemical Society,vol.124,pp.13519-13526,Nov 2002.)。此材料在高温下锻烧可以去除孔道中杂乱排列的对苯二甲酸分子，能够可逆吸附水分子，在吸脱附的过程中孔的结构会发生收缩和膨胀，称之为“呼吸效应”。因此，我们可以利用其呼吸效应，改善其CO₂的吸附效果。

然而，MOFs材料的比表面积虽然很大，但其原子密度较小。如果能克服此不足，必定能更有效地提高其CO₂的吸附性能。近年来，石墨烯(Gr)及其衍生材料的发展引起了科学界的极大关注。石墨烯是由单层碳原子以sp²杂化轨道组成的二维薄膜，这是目前世界上最薄也最坚硬的纳米材料，其致密的碳原子表面可以提供足够强大的色散作用以吸附小分子客体。

本发明提出：把氧化石墨进行剥离得到更薄和更具柔性的氧化石墨烯，并通过改变MIL-53的合成条件从而控制其晶型，利用氧化石墨烯(GrO)具有丰富的含氧官能团的优点，可将氧化石墨烯(GrO)与MIL-53材料进行复合，制备出不仅比表面积大，而且具有较高的原子密度的新材料，从而能明显提高材料的CO₂吸附性能。

本发明通过首先用超声处理法，将GO部分还原并剥离为较少分子层(≯3层)的GrO，然后通过溶剂热法合成出一种新的GrOMIL-53材料。这种材料在298K，25bar的条件下，对CO₂的吸附容量可高达到13.6mmol/g，比普通MIL-53的CO₂吸附容量(10.7mmol/g)高出27％。

发明内容

本发明的目的在于针对现有固体多孔材料对CO₂的吸附量普遍偏低，提供一种制备具有高CO₂吸附容量的金属有机骨架-氧化石墨烯复合材料的方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种金属有机骨架-氧化石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：