共价有机框架/氧化石墨复合材料的制备及CO2吸附性能研究

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随着经济的迅速发展,我国CO2排放量逐年上升,研究吸附能力强的吸附材料和经济性强、易于操作的捕集技术,对我国乃至世界范围内控制CO2的排放有重大意义。共价有机框架材料(Covalent Organic Frameworks,COFs)是一类新型的多孔结晶聚合物,近年来越来越多被应用于CO2捕集研究。本文为了进一步提高COFs材料的吸附性能,合成了共价有机框架/氧化石墨复合材料,考察复合材料的CO2吸附性能,分析复合材料的结构、活性位点、化学性质与吸附性能之间的关系。主要研究内容如下:  首先,以均苯三甲醛与对苯二胺为构筑基元,分别引入5wt%,10 wt%和15wt%的氧化石墨(GO),以1,4-二氧六环为溶剂,原位合成COF-LZUI/GO复合材料。胺基与醛基通过Schiffbase反应生成亚胺结构(-C=N-),有利于平面结构的形成。与COF-LZU1相比,复合材料的比表面积减小,但是CO2的吸附容量增加,其中GO含量为10wt%的COF-LZU1/GO-10的CO2吸附量最大,25℃,0.1MPa条件下为24.35 cm3/g。  其次,以对苯二甲醛和三聚氰胺为构筑基元,分别引入5wt%,10wt%和15wt%的氧化石墨,以二甲亚砜(DMSO)为溶剂,溶剂热法180℃下氮气保护反应3d,原位反应生成SNW-1/GO复合材料。胺基与醛基反应生成缩醛胺结构(-N-CR1R2-N-)而不是亚胺结构(-C=N-),有利于提高材料的支化度,形成三维结构。与SNW-1相比,复合材料的比表面积和CO2吸附量均增加,其中GO含量为10wt%的SNW-1/GO-10材料的CO2吸附量最大,25℃,0.1MPa条件下为64.84cm3/g。  最后,用乙二胺(EDA)对GO进行修饰,制备不同胺含量胺修饰的氧化石墨(m-AGO,m=20,50,80)。以对苯二甲醛和三聚氰胺为单体,将不同修饰量的AGO加入SNW-1的前驱体中,控制AGO的掺杂量在10%左右,原位反应生成SNW-1/AGO复合材料。SN W-1/AGO系列复合材料中,SNW-1/50-AGO的吸附量最高,25℃,0.1MPa条件下为58.71 cm3/g,由于AGO对SNW-1形貌和结构的破坏比GO更大,SNW-1/AGO的CO2吸附量低于SNW-1/GO-10,但高于SMW-1母体材料。但在低压范围时(P<5 kPa),AGO修饰的SNW-1复合材料吸附效果好于GO修饰的复合材料,这可能是由于胺的修饰增加了材料额外的吸附位点。  上述研究表明:合适GO量的引入能够有效提高COFs材料的CO2吸附效果,为推进COFs材料作为CO2吸附剂捕集的进一步应用奠定基础。
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