[发明专利]高CO2吸附性能的改性ZIFs材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高CO₂吸附性能的改性沸石咪唑酯骨架结构材料（ZIFs）的制备方法。是在合成ZIF‑8过程中，引入大尺寸第二配体（1,n‑双(咪唑‑1‑基)烷，n=6,8,10）对ZIF‑8进行扩孔，一方面有效改善了ZIF‑8狭窄的孔道对CO₂分子的扩散限制，另一方面亦可保持ZIF‑8稳定的骨架结构和大比表面积，从而显著提高对CO₂的吸附性能。本发明设计合成的吸附剂对CO₂具有优异的吸附性能，常压下CO₂吸附量最高可达到7.3mmol/g，远超纯ZIF‑8吸附量（1.9 mmol/g），且在低温区和高温区都能保持高效吸附，吸附性能在迄今报道的吸附剂中亦处于领先位置。

技术领域

本发明涉及吸附材料改性领域，具体为一种高CO₂吸附性能的改性沸石咪唑酯骨架结构材料（ZIFs），以及该吸附剂的制备方法。

背景技术

全球气候变暖已成为备受关注的环境问题，以CO₂为主的温室气体大量排放，是导致温室效应加剧的主要原因。CO₂捕获和储存（CCS）仍然是当今降低二氧化碳排放的主要技术手段。CO₂的主要排放还是来自于工业废气的排放，直接将烟道气中的二氧化碳捕获和储存，可以大幅度地降低CCS成本。但是由于工业废气成分复杂、温度高，因此，直接吸附和捕获烟道气中的CO₂成为当前亟待发展的热点技术。

金属有机骨架材料（MOFs）是由金属离子与有机配体通过自组装而生成的一类新型多孔材料，具有比表面积大、孔道结构规整、孔道和表面化学性质可调变等特征，在吸附、分离和催化等方面均表现出了广阔的应用前景。沸石咪唑酯骨架材料（ZIFs）是MOFs材料中的一种，它是由过渡金属原子Zn或Co与咪唑或咪唑衍生物连接而生成的一类新型的、具有沸石拓扑结构的纳米多孔材料。ZIFs不仅具有MOFs材料的优点，而且同MOFs材料相比，具有更优良的热和水热稳定性。ZIF-8是ZIFs材料中最具代表性的一种，其笼口直径0.34nm，与CO₂分子的动力学直径（0.33nm）相近，因此对CO₂具有很好的选择性。ZIF-8在吸附、分离、储气和催化等多个领域都表现出优异的性能。

然而，虽然ZIF-8对CO₂选择性优异，但狭窄的孔道严重限制了CO₂分子的有效扩散，从而使CO₂吸附开口压力较大。扩孔，不仅能够促进气体分子在MOFs笼内与表面之间的扩散，亦可以有效防止孔道堵塞，促进CO₂脱附，延长吸附剂使用寿命。研究发现，在合成MOFs过程中引入大尺寸有机配体，不仅可以有效对MOFs进行扩孔，亦可保持原有材料稳定的骨架结构和大比表面积，从而在吸附催化领域展现出独特的优势。因此，本发明致力于通过引入大尺寸第二配体，增加ZIF-8骨架中的大孔结构，降低CO₂传质阻力，从而显著提高吸附剂的吸附性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种高CO₂吸附性能的改性ZIFs材料的制备方法，以实现CO₂的高效吸附，降低CCS技术成本。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种高CO₂吸附性能的改性ZIFs材料，是以金属有机骨架材料ZIF-8为基础，合成ZIF-8过程中，引入大尺寸第二配体，对ZIF-8进行扩孔，合成具有混和配体的复合型ZIFs材料。即以2-甲基咪唑为第一配体，咪唑类有机配体1,6-双(咪唑-1-基)己烷、1,8-双(咪唑-1-基)辛烷或1,10-双(咪唑-1-基)癸烷为第二配体，制备得到改性ZIFs材料，其中，第二配体与第一配体的摩尔用量比为1:1～20。

上述高CO₂吸附性能的ZIFs材料催化剂的制备方法如下：