[發明專利]一種銅基金屬-有機框架材料的制備及其乙炔/二氧化碳分離應用

有效

• 申請號: 202110267610.8
• 申請日: 2021-03-11
• 公開（公告）號: CN113019330B
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發明（設計）人: 李建榮;徐子超;張鵬丹;伍學謙;謝亞勃
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B01J20/22
• 分類號: B01J20/22;B01J20/30;B01D53/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種銅基金屬?有機框架材料的制備及其乙炔/二氧化碳分離應用，屬于多孔功能材料制備和氣體分離技術領域。由有機配體5?羥基間苯二甲酸、雙(4?吡啶)胺與醋酸銅在N,N?二甲基乙酰胺(DMA)和水混合溶液中，經由溶劑熱反應得到。該MOF結構具有較高的孔隙率，同時擁有規則的一維通道，孔道內有著開放的銅金屬位點，強化了乙炔氣體分子與框架的作用力，且孔道尺寸大于低碳烴分子動力學尺寸，為乙炔氣體的吸附過程提供了基礎。該MOF材料有很好的乙炔與二氧化碳分離選擇性，經計算，IAST分離選擇性高達17。該MOF材料有良好的循環穩定性，在多次乙炔氣體的吸附?脫附過程中保持吸附量不變，降低了分類過程的經濟能耗。

技術領域

本發明屬于金屬-有機框架材料制備和氣體分離技術領域，具體涉及一種銅基金屬-有機框架材料(Metal-Organic?Frameworks，MOF)的合成制備方法，特征是該MOF材料可以實現乙炔/二氧化碳混合氣的高效分離。

背景技術

乙炔(C₂H₂)作為石油化工產業的重要原料之一，不僅可用作照明、焊接及切斷金屬的燃料氣，也可用于制造合成橡膠、合成樹脂、合成纖維、乙醛和醋酸等化工產品。目前主要通過甲烷部分燃燒(氧化偶聯)或碳氫化合物熱裂解等工藝進行乙炔原料的制備，但在其生產過程中不可避免地會產生二氧化碳(CO₂)等雜質。同時，C₂H₂與CO₂的動力學尺寸相同沸點(C₂H₂,189.3K；CO₂,194.7K)、分子尺寸及極化率(C₂H₂,33.3×10^-25cm³；CO₂,29.11×10^-25cm³)極為相似，C₂H₂/CO₂混合物的分離尤為困難。

工業上為了得到較純凈的C₂H₂氣體，通常采用以下方法：(1)有機溶劑萃取法；(2)低溫精餾法；(3)貴金屬催化法。但以上方法均面臨環境污染及分離能耗高等問題，因此，吸附分離作為一種綠色、簡單、節能高效的分離技術在氣體分離領域具有廣闊的應用前景。

MOF(又稱金屬-有機框架)作為一類新型的吸附劑材料，不僅具有超高的孔隙率、比表面積，其孔道尺寸和孔表面化學性質還具有高度可設計性及可調節性，使其相比于傳統多孔吸附劑(如活性炭、沸石分子篩、碳分子篩、硅膠、樹脂等)在氣體分離應用上擁有巨大潛力。經過近20年的發展，MOF吸附劑材料的合成已經逐步完成從最初的探索和試驗階段到靶向分離體系實現精準設計的飛躍。

本發明采用廉價易得的多配位有機配體5-羥基間苯二甲酸(5-OH-H₂IPA)、含氮有機配體雙(4-吡啶)胺(DPYA)與醋酸銅(Cu(OAc)₂)經溶劑熱反應得到一例微孔銅基MOF材料。該MOF結構具有較高的孔隙率，同時活化后擁有遍布開放金屬位點(Open?Metal?Sites,OMSs)的一維通道，為氣體分子吸附分離提供了結構基礎。298K條件下，單組分吸附等溫線表明該MOF吸附劑材料表現出對C₂H₂氣體的優先吸附，同時計算出該溫度條件下C₂H₂/CO₂(50:50)混合氣的IAST選擇性高達17，具有分離兩者的潛力。

發明內容

本發明的目的在于提供了一例銅基微孔MOF材料(Cu-5-OH-IPA-DPYA)的制備方法，而該MOF材料可用于C₂H₂/CO₂混合氣的高效分離。