Mg-MOF-74材料的合成、改性策略及CO₂_H₂O吸附性能的深度剖析.docxVIP

Mg-MOF-74材料的合成、改性策略及CO?/H?O吸附性能的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球工业化和城市化进程的加速，大量化石燃料的燃烧导致二氧化碳（CO_2）排放量急剧增加。国际能源署（IEA）发布的报告显示，2023年全球能源相关二氧化碳排放量增长1.1%，达到374亿吨，创历史新高。过量的CO_2排放引发了一系列严重的环境问题，如全球气候变暖、海平面上升、极端气候事件频发等，对生态系统和人类社会的可持续发展构成了巨大威胁。《巴黎协定》明确提出，要将全球平均气温较工业化前水平升高控制在2℃以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5℃以内，这使得减少CO_2排放成为全球共同面临的紧迫任务。

在众多CO_2减排技术中，吸附分离技术由于具有能耗低、操作简单、选择性高、可循环使用等优点，被认为是一种极具潜力的CO_2捕集方法。而吸附剂作为吸附分离技术的核心，其性能的优劣直接影响着CO_2的捕集效率和成本。金属-有机骨架材料（Metal-OrganicFrameworks，MOFs）作为一类新兴的多孔材料，由金属离子或金属团簇与有机配体通过自组装形成，具有超高的比表面积、规则且可调节的孔道结构、丰富的活性位点等独特性质，在CO_2吸附分离领域展现出巨大的应用潜力。

Mg-MOF-74作为MOFs家族中的重要成员，具有独特的结构和优异的性能。其结构中存在着由金属镁离子（Mg^{2+}）与2,5-二羟基对苯二甲酸（DHTA）配体形成的一维无限金属-氧链，这些链通过配体相互连接形成三维多孔结构，拥有较大的比表面积和适宜的孔径，能够为CO_2分子提供丰富的吸附位点。研究表明，Mg-MOF-74在低分压下对CO_2具有出色的吸附能力，其吸附容量和吸附选择性均优于许多传统吸附剂，这使得它在CO_2捕集与分离领域备受关注。例如，在一些工业废气处理场景中，Mg-MOF-74能够有效地从低浓度CO_2混合气体中选择性地吸附CO_2，为实现工业废气的达标排放和CO_2的资源化利用提供了可能。此外，在天然气净化领域，Mg-MOF-74可以高效地脱除天然气中的CO_2杂质，提高天然气的品质和热值，具有重要的实际应用价值。

然而，Mg-MOF-74在实际应用中仍面临一些挑战。一方面，其传统的合成方法存在成本高、合成条件苛刻、产率低等问题，限制了其大规模工业化生产；另一方面，Mg-MOF-74在潮湿环境下的稳定性较差，容易与水分子发生相互作用导致结构破坏，从而影响其对CO_2的吸附性能。此外，其吸附选择性和吸附动力学性能在某些复杂工况下仍有待进一步提高。因此，开发高效、低成本的合成方法，对Mg-MOF-74进行改性以提高其稳定性、吸附选择性和吸附动力学性能，对于推动其在CO_2吸附分离领域的实际应用具有重要的现实意义。

本研究旨在通过对Mg-MOF-74的合成方法进行优化，探索其在不同合成条件下的结构和性能变化规律，同时采用多种改性手段对Mg-MOF-74进行修饰，深入研究改性前后材料对CO_2和H_2O的吸附性能，揭示改性机制，为开发高性能的CO_2吸附剂提供理论依据和技术支持，对促进吸附分离技术在CO_2减排领域的应用，缓解全球气候变化问题具有积极的推动作用。

1.2Mg-MOF-74概述

Mg-MOF-74，又称CPO-27（Mg）或Mg2（dhtp），其晶体结构属于六方晶系，空间群为P63/mmc。在其结构中，Mg^{2+}离子通过氧原子与DHTA配体中的羧基氧原子配位，形成了一维的无限金属-氧链。这些金属-氧链沿着c轴方向延伸，相邻的金属-氧链之间通过DHTA配体的苯环相互连接，从而构建成三维的多孔框架结构。Mg-MOF-74具有较大的比表面积，理论比表面积可达1100m^2/g以上，其孔径分布较为均匀，主要孔径约为1.2nm，这种适宜的孔径大小能够有效地容纳CO_2分子，为其提供充足的吸附空间。

从性质方面来看，Mg-MOF-74具有良好的热稳定性，在惰性气氛下，其热分解温度可超过450℃，这使得它能够在一些高温环境下保持结构的完整性，从而保证其吸附性能的稳定性。然而，Mg-MOF-74在潮湿环境下的稳定性相对较差，水分子容易与材料表面的活性位点发生竞争吸附，并且可能与金属-氧键发生相互作用，导致材料结构的部分破坏，进而影响其对CO_2的吸附性能。

在气体吸附领域，Mg-MOF-74展现出了优异的性能。尤其是在低分压条件下，对CO_2具有较高的吸附容量和吸附选择性。这是因为CO