[发明专利]一种表面掺杂多孔ZIF-8的柔性MOFs材料、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种表面掺杂多孔ZIF‑8的柔性MOFs材料、制备方法及其应用，该材料由ZIF‑8和柔性金属有机骨架材料MOFs组成，通过水热合成法合成。通过有机配体与金属盐合成柔性金属有机骨架材料MOFs，再通过恒温加热在MOFs表面掺杂纳米级Zn(Ⅱ)盐，最后加入到2‑甲基咪唑水溶液中，经水热合成活化后得到表面掺杂多孔ZIF‑8的柔性MOFs材料。该材料制备方法简单，具有丰富的孔结构和较大吸附容量，能够选择性吸附SO₂，再生性良好，特别适用于在中温条件下烟气中微量SO₂的吸收。

技术领域

本发明涉及材料科学与工程技术领域，具体而言，是一种表面掺杂多孔ZIF-8的柔性MOFs材料、制备方法及应用。

背景技术

我国是一个缺油少气煤炭相对丰富的国家，不平衡的能源结构导致我国使用煤炭作为主要能源，煤炭的燃烧利用不可避免地造成了SO₂气体的大量排放。SO₂气体是造成大气环境污染的主要物质之一，尽管提出一系列节能减排政策和措施，但数据研究表明中国SO₂排放总量仍居世界高位。含有SO₂气体的烟气若直接排放到空气中，不仅造成环境污染，同时也造成了资源的浪费。一方面，传统的湿法脱硫技术虽然成熟，但工程较大、设备容易腐蚀，活性碳脱硫经济效益低。另一方面，由于SO₂排放标准的进一步提高，运用传统方法尽管超过95％的SO₂可以被避免排放，但是在一些重工业的废气中仍然含有400ppm的SO₂被排放出去。同时，工业排放的气体成分较为复杂，其他气体成分的存在对SO₂的脱除也具有一定的影响。因此寻找一种更为经济有效的选择性吸附烟气中低浓度甚至微量SO₂的技术具有十分重要的意义。

金属有机骨架(Metal-Organic Frameworks，MOFs)是由金属离子或金属团簇与有机配体通过自组装的方式得到的一类功能性材料，拥有较高的比表面积和规整的孔道结构，可以通过对有机配体的设计和修饰来调节金属有机骨架材料的功能，具有3维孔结构，在气体吸附、分离、光催化、荧光等领域表现出具有前景的应用价值。而MOFs作为一种新材料，在SO₂吸附上亦有着明显的优势与应用。

柔性金属有机骨架(Flexible MOFs)是一类能在外界刺激下结构发生转变的MOFs，在气体分离与捕获方面体现出优异的性能，同时也具有很高的循环寿命。作为一种具有高度有序结构并且结构可变化的多孔材料，柔性MOFs的层与层之间有弱相互作用(范德华力)连接构成，在特定温度与压力下能够只吸附一种气体分子，而对另一种气体分子则完全不吸附。因此，可以通过改变温度或压力使柔性MOFs发生“呼吸”作用，MOFs的收缩促进气体的吸附和脱附，实现材料的再生，循环性能显著提高。

ZIF-8是由锌离子和2-甲基咪唑配位合成的小孔径的MOFs，由于ZIF-8骨架结构中2-甲基咪唑分子与锌原子配位形成接近于145°的键角，与沸石结构中的硅氧键键角相仿，所以相比其他有机物材料，ZIF-8具有良好的水热及化学稳定性，其在400℃以下无重量损失，在400℃至500℃之间骨架才开始分解，在水中长期浸泡也不易塌陷，同时具有一定的疏水性。

水热合成法是指温度为100～1000℃、压力为1MPa～1GPa条件下利用水溶液中物质化学反应所进行合成的方法。在亚临界和超临界水热条件下，由于反应处于分子水平，反应活性提高，因而水热反应可以替代某些高温固相反应。又由于水热反应的均相成核及非均相成核机理与固相反应的扩散机制不同，因而可以创造出其它方法无法制备的新化合物和新材料。

发明内容