论文总字数：23717字

摘 要

大气中二氧化碳含量的上升是21世纪最迫切需要解决的环境问题之一。全球气温的上升和二氧化碳含量的急剧增加给世界带来了温室效应。来自传统发电厂、化工厂、谷物农场是其他大规模能源的碳捕获和储存技术（CCS）是人类减少CO₂排放的选择。然而，目前，仅二氧化碳捕获就将使植物的能源需求增加25-40%，无法达到一个高效二氧化碳的再次利用，并且CO₂的选择性低，需要的成本比高，分离能耗大的问题。为了能更好的吸附和吸收CO₂，从而解决人类迫在眉睫的环境问题，探寻一种新型吸附二氧化碳的技术任重而道远。

本论文就是基于新型有机框架MOF，通过控制掺入离子液体量来探讨MOF材料二氧化碳吸附能力的不同，将Cu-BTC和[VMCA]Br在低温环境下进行结合，形成八面体的PIL@Cu-BTC，它在大气中捕获和储存二氧化碳是对传统捕获和储存技术的提升，在吸附和催化CO₂方面都有着不错的效果，将Cu² 与[VMCA]^-进行结合形成新型材料PIL@Cu-BTC，其结构方面不会有大的变化，在性能方面能有更好的体现，[VMCA]Br掺入量的不同将对Cu-BTC微孔内部有着修饰，CO₂吸附位点有着更好的体现，显著提升CO₂吸附能力。对于研究其他有机框架MOF以及共价有机框架COF对于二氧化碳的捕集与封存（CCS）有着借鉴作用。

关键词：捕集与封存 金属有机框架MOF 二氧化碳 离子液体

Abstract

The increase of carbon dioxide content in the atmosphere is one of the most urgent environmental problems to be solved in the 21st century. The rise in global temperature and the sharp increase in carbon dioxide content have brought Greenhouse Effect to the world. Carbon capture and storage technology (CCS), which comes from traditional power plants, chemical plants and grain farms as other large-scale energy sources, is the choice of human beings to reduce CO₂ emissions. However, at present, carbon dioxide capture alone will increase the energy demand of plants by 25% 40%, which can not achieve a high efficiency of carbon dioxide reuse, and the selectivity of CO₂ is low, the cost ratio is high, and the energy consumption of separation is high. In order to better adsorb and absorb CO₂, and solve the urgent environmental problems of human beings, it is a long way to explore a new technology of carbon dioxide adsorption.

In this paper, based on the new organic framework MOF, the carbon dioxide adsorption capacity of MOF material is discussed by controlling the amount of ionic liquid. Cu-BTC and [VMCA] Br are combined at low temperature to form octahedral PIL@Cu-BTC. Carbon dioxide capture and storage in the atmosphere is an improvement of traditional capture and storage technology, and has a good effect in adsorption and catalysis of CO₂. Cu² and [VMCA]^-are combined to form a new material PIL@Cu-BTC. There will be no great change in its structure, and it can be better reflected in the performance. The different amount of [VMCA] Br will modify the Cu-BTC micropores, and the CO₂ adsorption sites will be better reflected, which can significantly improve the adsorption capacity of CO₂. It can be used as a reference for the study of other organic frameworks MOF and covalent organic framework COF for carbon dioxide capture and storage (CCS).

KeyWords: Capture and Storage MOF Metal Organic Framework Carbon dioxide ionic liquid

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 3

1.1 引言 3

1.2 二氧化碳捕集与储存的概述 3

1.3 金属有机框架（MOF）材料的概述 5

1.4 离子液体与MOF的复合材料 7

1.4.1 离子液体 7

1.4.2 负载离子液体的MOF复合材料 9

1.5 研究思路 10

第二章 实验部分 11

2.1 实验所用药品试剂及仪器 11

2.2 [VMCA]Br离子液体的制备 11

2.3 Cu-BTC的制备 12

2.4 PIL@Cu-BTC的制备 12

第三章 表征实验 13

3.1 表征手段及方法 13

3.2 [VMCA]Br的表征 14

3.2.1 CHN元素分析 14

3.2.2 核磁NMR 14

3.3 Cu-BTC的表征 15

3.3.1 CHN元素分析 15

3.3.2 傅里叶红外光谱的ATR检测（FT-IR） 16

3.3.3 BET表征 16

3.4 PIL@Cu-BTC表征 17

3.4.1 CHN元素分析 17

3.4.2 傅里叶红外光谱的测试（FT-IR） 18

3.4.3 X射线衍射（XRD） 18

3.4.4 扫描电镜（SEM） 19

3.5 PIL@Cu-BTC二氧化碳性能测试 20

3.5.1 BET表征 20

3.5.2 PIL@Cu-BTC二氧化碳的吸附性能检测 21

3.5.3 PIL@Cu-BTC二氧化碳催化性能检测 22

3.6 NH₂-Cu-BTC二氧化碳性能测试 23

3.6.1 BET表征 23

3.6.2 二氧化碳吸附性能测试 24

3.6.3 二氧化碳催化性能测试 24

第四章 结论 26

第五章 未来展望 27

参考文献 28

致谢 31

第一章 文献综述

1.1 引言

在我们的大气系统中存在一定量的温室气体（主要是二氧化碳），有助于吸收地球表面的热辐射，同时，二氧化碳将辐射反射回地球。但是温室效应在地球的发展中起着重要的作用^[1]。因为它可以捕捉太阳吸收并反射回宇宙的能量，同时保持地球的温度。从而维持地球的小循环，适合生物的长期发展。没有这种隔热系统，地球上的平均温度将受到非常大的影响，温度也将随之会随之降低多，同时，生物生命的正常生存将无法维持。但是现如今一个很棘手的问题是温室气体的排放已经超出了我们人类的可以控制的范围了^[1]。其中二氧化碳就扮演着一个“绿色化学”和“原子经济”的组成者^{[2, 3]}。

大气系统中存在过量的温室气体（GHG），人们普遍认为，这将对气候变化产生严重后果。工业废气排放包括二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫(SO2)等(其中，二氧化碳是全球变暖最重要的温室气体)^[4]。这将危及人类健康，农作物甚至森林物种都不能豁免。各种生态系统和整体环境受到毁灭性的打击。同时，它们的破坏将加重温室效应，构成了恶性的循环。温室气体排放含有大约77%的二氧化碳^[5]。根据IPCC的报告，大气中二氧化碳的全球平均浓度在2010年就已接近400 ppm^[5]，在第二次世界大战结束后的衰落之后，已经有了巨大的进步，这个坏信号已经逐渐引起了世界上所有国家的注意^[1]。

1.2 二氧化碳捕集与储存的概述

为了实施中国的可持续发展战略，响应联合国的号召，但是同时又要考虑到我国现阶段国民经济发展的实际情况，将可持续发展更好的执行下去，我国在CO₂的捕集与封存（CCS）^[1]中投入了大量的人力和物力，机遇与挑战并存，成功与危险并在在这个时代，正是由于CO₂的大量排放，这使得二氧化碳这种无毒气体成为最容易获得的碳源，我们可以随时随地获得它。因此，在煤炭和石油等不可再生资源日益枯竭的时代，捕集与封存（CCS）二氧化碳，将其固定下来并且转化为附加值较高的化学品成为亟待解决的全世界性化学难题。早在两个世纪前，就已经有科学家开始尝试CO₂的固定，但是由于受到了当时的科技水平条件的限制，所以每年只有极少数的二氧化碳被人们所固定下来。另一方面从二氧化碳的化合价来看，由于二氧化碳中碳的氧化态是四价的，是一种非常稳定的价态，这就注定了捕集和封存反应过程相对于比较难，从而使得固定CO₂能耗量巨大。而现阶段CO₂固定主要应用于尿素的合成和环状碳酸酯的过程。

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