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摘 要

膜分离技术由于具有低耗、节能、环保、高效等优势，符合国家低碳减排的政策，因此高性能的分离膜材料具有广泛的应用前景。而含有金属有机骨架的混合基质膜，兼具高通量、高选择性和易加工的综合优点，已经在气体分离方面得到了广泛关注。本文中，将合成对CO₂具有亲合作用力的锌金属有机骨架ZIF-300纳米晶体，并嵌入聚醚嵌段酰胺（PEBA）聚合物膜中，研究了其物化性质对膜结构及气体分离性能的影响。

反应物以六水合硝酸锌为金属源，2-甲基咪唑、6-Br-1H-苯并咪唑为配体，以及N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和去离子H₂O溶剂，采用水热合成法，在反应温度为120℃，反应时间为72小时的条件下，制备出了微米大小颗粒和晶型良好的金属有机骨架ZIF-300晶体。

通过不断超声、搅拌等方式，将金属有机骨架ZIF-300晶体掺杂到聚醚嵌段酰胺（PEBA）聚合物中，形成铸膜液来制备ZIF-300/PEBA混合基质膜，应用XRD、BET、FT-IR、SEM等表征手段研究ZIF-300晶体和混合基质膜物化性质，并通过单组分气体测试，考察膜在CO₂气体渗透性和选择性的情况，从而研究ZIF-300/PEBA混合基质膜对CO₂气体的捕集能力。

关键词：金属有机骨架 混合基质膜 聚醚嵌段酰胺 CO₂

Preparation of MOFs-based Mixed Matrix Membranes and Its Application for CO₂ Capture

ABSTRACT

Due to low consumption, energy saving, environmental protection, high efficiency and other advantages, Membrane separation technology in line with the national policy of low carbon emission reduction, therefore the separation membrane material of high performance has wide application prospect. And with comprehensive advantages of high flux, high selectivity and ease processing, the mixed matrix membrane containing metal organic skeleton has received wide attention in gas separation. In this paper, zinc metal hexagonal ZIF-300 nanocrystals with affinity for CO₂ were synthesized and embedded in polyether block amide (PEBA) polymer films, and study the effects of the physical and chemical properties on the membrane structure and gas separation performance.

The reaction was carried out using zinc nitrate hexahydrate as the metal source,

2-methylimidazole, 6-Br-1H-benzimidazole as the ligand, N,N-dimethylformamide (DMF) and H₂O as the solvent. The metal organic skeleton ZIF-300 crystals with fine micron particles and good crystal morphology were prepared by hydrothermal method at the reaction temperature of 120 ℃ and reaction time of 72 hours.

The ZIF-300/PEBA mixed matrix membrane was prepared by doping the metal organic skeleton ZIF-300 crystal into the polyether block amide (PEBA) polymer by continuous ultrasonic, stirring and the like to form a casting liquid. The physical and chemical properties of ZIF-300 crystal and mixed matrix membrane were studied by XRD, BET, FT-IR, SEM and the like. by single-component gas test, we investigate the membrane permeability and selectivity for CO₂, So as to study the ability of ZIF-300/PEBA mixed matrix membrane to capture CO₂ gas.

Keywords: metal organic skeleton; mixed matrix membrane; polyether embedded amide; CO₂

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1 前言 1

1.2 金属-有机骨架材料简介 1

1.2.1 金属-有机骨架材料的发展 1

1.2.2 金属-有机骨架材料的种类 3

1.2.3 金属-有机骨架材料的合成方法 6

1.3 混合基质膜简介 9

1.3.1 混合基质膜的发展 9

1.3.2混合基质膜的性能 10

1.3.3 MOFs混合基质膜的应用 10

1.4 本课题的研究目的及研究内容 10

第二章 金属有机骨架的制备及表征 12

2.1 引言 12

2.2 实验部分 12

2.2.1主要试剂与材料 12

2.2.2 ZIF-300晶体的合成 13

2.3 结果与讨论 13

2.3.1 SEM表征 13

2.3.2 XRD表征 14

2.3.3 热重分析（TGA） 14

2.3.4 BET表征 15

2.4 本章小结 16

第三章 金属有机骨架混合基质膜的制备及表征 17

3.1引言 17

3.2实验部分 17

3.2.1 主要试剂与材料 17

3.2.2 ZIF-300晶体/PEBA混合基质膜的制备 18

3.3结果与讨论 18

3.3.1 SEM表征 18

3.3.2 XRD表征 19

3.3.3 热重分析（TGA） 19

3.3.4 差示扫描量热法（DSC） 20

3.3.5 BET表征 20

3.4 本章小结 21

第四章 金属有机骨架混合基质膜应用于CO₂捕集的气体分离性能研究 22

4.1引言 22

4.2实验部分 22

4.2.1 实验装置 22

4.2.2 气体分离性能评价 23

4.3 结果与讨论 23

4.3.1 ZIF-300MOFs掺杂量的影响 23

4.3.2 操作温度的影响 24

4.3.3 长期稳定性 24

4.3.4 与 Robeson 上限比较 25

4.4 本章小结 25

第五章 结论与展望 27

参考文献 28

致 谢 31

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