一种具有高稳定性的新型铝基吸水MOFs材料及其制备方法和空气集水应用技术

本发明专利技术提供了一种具有高稳定性的新型铝基金属

【技术实现步骤摘要】
一种具有高稳定性的新型铝基吸水MOFs材料及其制备方法和空气集水应用


[0001]本专利技术涉及吸附材料以及环境与能源的
，具体涉及一种具有高稳定性的新型铝基吸水MOFs材料及其制备方法和空气集水应用，该材料可以通过修饰有机配体使得MOF材料从柔性框架转变为刚性框架，可用于干旱环境下(10％RH～20％RH)从干燥空气中吸附大量水蒸气进而收集水资源。

技术介绍

[0002]淡水资源缺乏是全球面临的众多挑战之一，它正在威胁人类社会的发展。根据世界卫生组织(WHO)的一份报告，到2025年约三分之二的人口将生活在缺水的国家，环境污染和人口的增加将进一步加剧这种情况。尽管地球的大部分表面被水覆盖，但全球水资源的96.5％是海水，不能被直接饮用，只有2.5％是淡水，且仅有0.3％处于液态。海水淡化是目前常用的淡水资源技术手段，海水淡化技术可以提供稳定的淡水供应，但是相应设施的建设需要大量的资金成本，而且淡化过程非常耗能。此外，大多数干旱地区是内陆地区，那里无法获得天然液态水，因此有必要开发分布式集水装置为这些地区提供淡水资源。大气水是一种潜在的水资源，主要以三种形式存在：云，雾和蒸气，储量估计为12900万亿升，是世界上河流中水的六倍，约占人类可利用淡水资源的10％，为解决当前的水资源缺乏困境提供了一种新的可能途径。
[0003]为了从空气中收集水资源，有研究者使用网状材料来捕获空气中的微小液滴。但是该方法需要较高的相对湿度高(RH>60％)和一定程度的空气流动，这意味着该方法对地理条件有很强的依赖性。除了雾和云中存在的微小水滴外，大多数大气水都是以蒸气形式存在，即使在最干燥的沙漠地区，水蒸气也无处不在。从大气中收集水蒸气并获得水资源主要有两种途径：基于空气冷凝的大气水收集以及基于吸附水蒸气的收集方法。空气冷凝法是通过将湿空气冷却到其露点以下来进行的，该方法能耗高且对湿度有很高依赖性，在RH<50％时很难进行且效率极低。吸附法是使用吸水材料从空气中吸附水蒸气，然后通过低能耗加热(例如太阳能和废热等)释放被吸附的水，并使用液化装置获得液态水。相比之下，基于吸附的方法在干旱地区更方便和节能。
[0004]根据吸附剂和水蒸气之间的作用力不同，吸附过程通常分为物理吸附和化学吸附。对于大多数经典的固体物理吸附剂，例如分子筛和硅胶吸，附剂与水分子的强相互作用会导致较高的再生温度(T
re
>100℃)，因此该过程很难通过太阳能直接驱动。化学吸附剂，例如吸水无机盐，通常比物理吸附剂具有更高的吸水率和更低的再生温度，但会对设备造成腐蚀并影响水质，且存在膨胀和结块等严重缺陷。因此，这些传统的吸水材料都不适合于从干燥空气中(RH<20％)吸附大量水分子。
[0005]金属
‑
有机框架材料(MOF)是一种新型的多孔功能材料，由无机团簇(或二级建筑单元，SBU)与有机分子(“连接子”)连接而成的具有永久孔隙的骨架结构。它们具有高的比表面积和孔隙率，易调控的微孔结构和表面特性，以及对气体/蒸气优良的吸附选择性，近
年来被广泛应用于气体/蒸气的吸附与分离，这些特点使其在收集大气水方面有着巨大的潜力。最近，使用MOFs材料作为吸附剂，在空气集水领域已取得了可观的进步。但是到目前为止，很少有MOFs材料在干燥气候条件下(比如10～20％RH的极低湿度)具有令人满意的吸水容量。此外，用于空气集水的吸附剂材料需要极其可靠的稳定性，然而由于较弱的配位键，大多数MOFs材料稳定性很差，其长期水稳性仍然面临巨大挑战。另一方面，MOFs材料通常是在有毒的有机溶剂(如二甲基甲酰胺和二甲基乙酰胺)中制备的，这既造成了工艺上的繁琐，又对环境有害。
[0006]研究发现对苯二甲酸与金属铝合成的MOF材料具有稳定性强、成本较低等优点，但是该MOF材料的框架具有较大的柔性，在吸水后框架会发生较大程度的压缩，使得材料的吸水量大幅度下降，且脱附非常困难。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种具有高稳定性的新型铝基金属
‑
有机框架(MOF)材料及其制备方法和空气吸水应用，制备方法通过修饰MOFs材料的有机配体来改变MOF孔道内功能位点和极性位点的分布，从而改变水分子与材料框架的相互作用情况，使得MOFs材料框架在吸水过程中柔性和刚性可调。该材料可用于在低湿度环境下从空气中大量吸附水蒸气，在20％的低湿度下吸水容量高达0.44g g
‑1，这是目前已报道的同类多孔材料中的最高值。该方法制备的MOFs材料具有极高的化学稳定性、热稳定性以及水稳定性。该方法生产得到的材料具有良好的晶粒分布情况，有利于水分子在晶粒间的扩散，从而提高了材料的水吸附/脱附动力学性能，能够在极短的时间内完成水蒸气的吸附/脱附。此外，本专利技术采用简单绿色的低沸点反应溶剂，避免了后续繁琐多步的溶剂交换和活化过程，从而大大简化了工艺流程且环境友好。
[0008]本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种具有高稳定性的新型铝基吸水MOFs材料，所述MOFs材料为三维网络结构的固体晶态材料，结构通式为Al(OH)L，其中L为六元含氮杂环的双羧酸有机配体；所述MOFs材料可作为吸附剂材料从空气中吸附水蒸气。
[0010]上述技术方案中，进一步地，所述的有机配体为对苯二甲酸(H2pdc)、2,5
‑
吡啶二羧酸(H225pdc)、2,5
‑
吡嗪二羧酸(H225pydc)、2,5
‑
嘧啶二羧酸(H225pmdc)、2,5
‑
哒嗪二羧酸(H225pddc)、1,2,4,5
‑
哌嗪二羧酸(H21245tdc)。
[0011]进一步地，在低湿度环境下可作为吸附剂材料从空气中吸附水蒸气，所述的MOFs材料的水吸附量>0.44g/g，所述低湿度环境为湿度10％RH～20％RH。
[0012]本专利技术还提供一种具有高稳定性的新型铝基吸水MOFs材料的制备方法，步骤如下：
[0013]1)将有机配体、碱按比例溶于水中并超声至澄清，并向其中匀速滴加Al的无机盐乙醇溶液，室温搅拌均匀，随后匀速升温至80～100℃，回流搅拌12～24小时；所述有机配体、碱、水、铝盐、乙醇的摩尔比为1:(1～2):400：(2～4)：300；反应结束后过滤，依次用去离子水、无水甲醇洗涤，经真空烘干得到均相晶体材料；
[0014]2)在353～393K下真空干燥6～12小时，得到具有高稳定性的柔性可调节的高吸水容量MOFs材料。
[0015]进一步地，所述Al的无机盐乙醇溶液为氯化铝乙醇溶液、硫酸铝乙醇溶液或者硝酸铝乙醇溶液；所述碱为氢氧化钠固体、氢氧化钾固体或氢氧化锂一水合物；所述无机盐乙醇溶液的滴加速率为50～100μL/min。
[0016]本专利技术的专利技术原理为：
[0017]本专利技术通过对双羧酸有机配体进行功能化修饰，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高稳定性的新型铝基吸水MOFs材料，其特征在于，所述MOFs材料为三维网络结构的固体晶态材料，结构通式为Al(OH)L，其中L为六元含氮杂环的双羧酸有机配体。2.根据权利要求1所述的具有高稳定性的新型铝基吸水MOFs材料，其特征在于，所述的有机配体为对苯二甲酸、2,5
‑
吡啶二羧酸、2,5
‑
吡嗪二羧酸、2,5
‑
嘧啶二羧酸、2,5
‑
哒嗪二羧酸、1,2,4,5
‑
哌嗪二羧酸。3.根据权利要求1或2所述的具有高稳定性的新型铝基吸水MOFs材料，其特征在于，在低湿度环境下可作为吸附剂材料从空气中吸附水蒸气，所述低湿度环境为湿度10％RH～20％RH。4.一种如权利要求1或2所述的具有高稳定性的新型铝基吸水MOFs材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：1)将有机配体、碱按比例溶于水中并超声至...

【专利技术属性】
技术研发人员：李斌，武恩宇，钱国栋，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：