1．目的及意义
1.气体吸附分离的背景与意义

随着气候变暖等全球性环境问题越来越受到重视，如何捕集并储存大气中的二氧化碳成为了研究热点。二氧化碳的一大来源是燃煤工厂产生的烟道气，其主要成分是二氧化碳、氮气以及一些气体杂质(如水、二氧化硫等)。将二氧化碳与氮气分离开来，只将氮气排放到大气中，而将二氧化碳收集起来用于其他化工生产环节，是一项具有现实意义的工作。另一方面，二氧化碳作为天然气、沼气等燃料气的杂质，会降低能量转换效率，因此需要将二氧化碳分离出来实现能量高效利用。

以甲烷为主要成分的天然气和沼气是应用前景很好的清洁能源，但其中含有的烃类杂质会降低甲烷的利用效率，因此实现甲烷与低碳烃的分离是亟待解决的问题。

低碳烃可作为能源或原料广泛应用于石化工业。乙烷可作为生产乙烯的化工原料，而乙烯和乙炔也都是生产多种化工产品如乙酸、橡胶和塑料的重要原料。高纯度的低碳烃原料既能获得高品质的化工产品，又能提高生产效率。

传统的气体分离技术主要有等温蒸馏、膜技术以及吸附技术等。其中，等温蒸馏是利用不同气体组分的沸点或者升华点的差别，通过蒸馏来实现不同气体的有效分离，属于物理过程。这一过程不仅需要消耗大量能量，并且对于设备的使用和维护也存在诸多缺陷。膜分离技术是60年代以来迅速崛起的一项分离方法，其原理是利用膜对混合气体中不同气体分子的选择性和渗透率不同，或者不同组分在一定压力的推动下穿透膜的速率不同，以此来进行分离、提纯的过程。但膜的造价较高，且容易被污染，难以做到大范围的工业化使用。这些方法均存在能耗大，设备及投资费用高等缺点。随着沸石和活性炭的大规模生产和使用，尤其是在气体存储与分离、催化等方面，开始陆续出现了不同的吸附剂。这一现象促进了吸附分离技术的发展，使吸附成为工业应用中气体分离一个重要手段。

常用的吸附剂主要有活性炭、硅藻土、沸石和分子筛等。直到20世纪末金属-有机骨架材料的出现，其结构与活性炭和沸石等传统多孔材料具有一定的相似性，但又具备一些传统材料所缺乏的优良特性，因而在气体吸附分离、储存和催化等方面有着广阔应用前景。

2.金属-有机骨架材料

金属-有机骨架材料（metal-organic frameworks，简称MOFs）是近年来发展最为迅速的一种具有大比表面积、高孔隙率、化学可修饰以及结构组成多样性的新型多孔材料。MOFs材料一般是由小分子有机配体和金属离子(金属簇)通过自组装构成的周期性的网状结构的有机-无机晶体材料。一方面，通过变换不同配位数的金属中心和不同尺寸大小的有机配体，能达到调节孔道结构的目的；另一方面，选择带有不同官能团的有机配体，能使孔道结构表面有不同的官能性。这种可设计性使得MOFs材料具有优异的性能，这一点是活性炭和沸石等刚性多孔材料难以实现的。

MOFs材料具有的比表面积巨大、孔径可调性以及结构可设计性等优势使得其在气体的储存和吸附分离领域中具有广阔的应用前景。特别是随着温室效应的加剧以及能源物质的减少，金属-有机骨架材料在气体吸附与分离等方面的研究引起了越来越多学者的关注。通过设计合成合适的配体或者引入功能基团，可以得到新型的功能化MOFs材料可以使其更具有针对性地应用到CO2捕集与分离、低碳烃的分离与储存甚至串级反应的催化等工业难题中，使其应用范围大大拓展。

3.国内外研究现状

1999年，Yaghi等人首次合成了MOF-5。MOF-5是由四个Zn核连接一个氧原子组成的一个四面体，四面体的每个边缘连接一个-CO2羰基基团形成Zn4O(CO2)6原子簇，通过这两种基团以八面体的形式连接形成的三维网络结构。和以往金属-有机骨架材料相比，MOF-5具有更大的比表面，更高的空隙率以及更好的稳定性，因而被广泛应用于气体的储存、吸附、催化等领域。Deng等通过增加苯环的数量设计了一系列不同长度的有机配体，并利用这些有机配体合成了IRMOF-74-Ⅰ到Ⅺ。通过这一手段，使合成的MOFs材料的孔径从14Aring;增加到98Aring;。在通过改变配体来改变孔径大小时，往往伴随着网络互穿现象。利用这一特点，可以设计出网络互穿的MOFs材料。通过调整MOFs材料的骨架结构和孔径大小，能够进一步设计出高效的气体分离材料。Das等人设计合成了二重互穿MOFs材料UTSA-36a，其孔径大小在3.1到4.8Aring;之间。吸附实验表明UTSA-36a能够较好的将C2H2、C2H4、C2H6从CH4中分离开来。Ferey等人合成出MIL-53，这一材料具有一维孔道结构。这是由MO4 (OH)2八面体(M=Cr3 ，Al3 ，Fe3 )与苯二甲酸在空间相互配位连接所形成的的材料。实验发现其稳定性良好且具有“呼吸效应”，从而被视为捕集和分离CO2的理想材料。

通过引入不同的功能基团，可以对有机配体进行化学修饰，从而使得MOFs材料具有不同的活性位点。目前许多新型的多功能MOF材料就是利用这种修饰方法，引入功能基团，对材料进行改性，使其具有特殊的物理化学特性。不同的功能基团可以针对性地根据其应用情况进行功能化调控。目前，主要有两种方式对MOFs材料进行功能化：其一是合成前通过修饰有机配体引入功能基团，其二是合成后直接修饰MOFs材料。与传统材料相比，构成MOFs材料的有机配体、金属离子种类多样，这使得MOFs材料不仅具有功能化的基团，还具有开放的活性位点。{title}

2. 研究的基本内容与方案

{title}

本研究的目的是设计合成一种功能化Cu基MOF材料，同时考察这种材料对典型气体分离体系（CO2/N2/CH4，低碳烃C1、C2、C3等）的分离效果。此外，还将拓展其在一步Deacetalization-Knoevenagel串联反应中的催化性能。

主要任务包括：