高性能金属有机框架基复合矩阵膜的设计与制备研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51572272
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    64.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0207.无机非金属半导体与信息功能材料
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2019-12-31

项目摘要

Membrane separation technology is an efficient way for gas separation. Metal-organic frameworks (MOF) are promising membrane materials for gas separation. However, However, the preparation of a high-quality MOFs membrane is still very challenging because the heterogeneous nucleation density of most MOFs crystal on supports is quite low. This proposal first synthesizes nano-sized MOF with controlled pore structure, crystalline size and morphology, and functionalizes the MOF with organic amines. The mechanism of controlled synthesis is studied in detail. Based on this, functionalized MOF is combined with polymer by self-assembly method using dopamine as the binding agent to prepare MOF-Polymer mixed matrix membrane. The micro-structure of MMM is characterized and the formation mechanism of MMM is discussed. On the one hand, the high adsorption capacity of amines leads to a good separation performance of MMM. On the other hand, the unique porous merit of MOF could promote the diffusion of gases inside MMM. Besides, the presence of polyamine as coupling agent is beneficial for homogeneous dispersion of MOF in the polymer matrix, reducing non separative voids. The MMM is studied in CO2 separation and relationship between membrane structure and separation performance is correlated. Combined with simulation, the adsorption and diffusion behavior of CO2 and other gases in MMM is investigated. The proposal aims to develop a controllable and reproducible way of synthesis MMM with high permeability and selectivity, simultaneously for separation of CO2/N2, CO2/CH4, CO2/H2. This project is of great importance in both academy and application.
膜分离技术是气体分离的一条有效途径,金属有机框架(MOF)是一种潜在的气体膜分离材料,然而MOF在通用支撑体上成核密度低,成膜困难。本项目从纳米MOF粉体的尺寸、形貌调控入手,采用有机胺对MOF进行功能化,探讨功能化MOF的可控制备规律;在此基础上以多巴胺为偶联剂耦合功能化MOF与聚合物,制备MOF-聚合物复合矩阵膜。观测膜结构、揭示成膜规律。一方面, MOF独特的孔结构促进气体在膜内的扩散;另一方面,胺的高CO2吸附能力增强矩阵膜的分离性能;此外,多巴胺有利于MOF在聚合物中的分散,减少缺陷。研究复合膜的CO2分离能力,分析膜结构与分离性能间的内在联系,并结合计算模拟,探讨CO2, CH4, N2, H2在膜内的吸附、扩散机理。最终实现同时具有高通量与高分离性能的膜材料的可控制备,用于CO2/N2、CO2/CH4、CO2/H2等气体混合物的分离,具有重要意义。

结项摘要

金属有机框架(MOF)膜在气体分离领域有具有很好的潜在应用前景。然而,MOF在通用的支撑体上成核密度低,目前MOF膜的生长还仅仅局限于ZIF-8等几种,还难以通过水热合成制备高质量、重复性好的 MOF 膜。因此,本项目研究功能化MOF材料与有机膜材料耦合,制备矩阵膜(MMM),研究了CO2吸附、膜分离性能。具体内容如下:通过大量实验探索,获得纳米MOF(如MIL-101(Cr)–NH2、ZIF-L、ZIF-8等)材料的尺寸及形貌调控规律;通过后合成共价修饰实现在MIL-101(Cr)–NH2上引入不饱和羰基基团,功能化MOF的热稳定及CO2/N2分离能力较未功能化MOF有显著提高,CO2/N2由原来的10.93增大至16.44;通过耦合自组装技术和相转化技术,利用多巴胺作为偶联剂,将功能化纳米MOF(MIL-101(Cr)–NH2)粉体与PMMA进行耦合,构建功能化MOF-聚合物混合矩阵膜。获得了膜层结构、分离性能调控规律,优化条件下制备的MMM膜与纯的PMMA膜相比,H2通量提高了3个数量级,并且保持了较高的H2/CO2分离系数(13)。此外,还拓展了ZIF-L膜材料的应用范围,以ZIF-L膜为模板合成了一系列纳米片阵列作为超级电容器的整体电极材料。电极材料表现出优异的电化学储能性能。组装的超级电容器器件的能量密度和功率密度可分别达40 Wh kg-1和850 W kg-1以上。

项目成果

期刊论文数量(19)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
Zeolitic imidazolate framework-derived Co3S4@Co(OH)(2) nanoarrays as self-supported electrodes for asymmetric supercapacitors
沸石咪唑酯骨架衍生的Co3S4@Co(OH)(2)纳米阵列作为不对称超级电容器的自支撑电极
  • DOI:
    10.1039/c9qi00273a
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Inorganic Chemistry Frontiers
  • 影响因子:
    7
  • 作者:
    Yang Yujing;Ma Qingxiang;Han Lei;Tao Kai
  • 通讯作者:
    Tao Kai
Molybdenum containing cage like mesoporous KIT-5 for enhanced catalytic conversion of 1-butene and ethylene to propene
含钼笼状介孔 KIT-5,用于增强 1-丁烯和乙烯催化转化为丙烯
  • DOI:
    10.1016/j.molcata.2016.02.019
  • 发表时间:
    2016-05-15
  • 期刊:
    JOURNAL OF MOLECULAR CATALYSIS A-CHEMICAL
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Tao, Kai;Ma, Qingxiang;Han, Lei
  • 通讯作者:
    Han, Lei
Ultrathin nanosheet-assembled hollow microplate CoMoO4 array derived from metal-organic framework for supercapacitor with ultrahigh areal capacitance
源自金属有机框架的超薄纳米片组装空心微板CoMoO4阵列,用于具有超高面电容的超级电容器
  • DOI:
    10.1016/j.jpowsour.2019.05.011
  • 发表时间:
    2019-08-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF POWER SOURCES
  • 影响因子:
    9.2
  • 作者:
    Li, Qin;Li, Yanli;Han, Lei
  • 通讯作者:
    Han, Lei
Microwave-assisted synthesis of pillared Ni-based metal-organic framework and its derived hierarchical NiO nanoparticles for supercapacitors
微波辅助合成超级电容器用柱撑镍基金属有机框架及其衍生的分级 NiO 纳米颗粒
  • DOI:
    10.1007/s10854-018-9606-y
  • 发表时间:
    2018-09-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE-MATERIALS IN ELECTRONICS
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Han, Xue;Tao, Kai;Han, Lei
  • 通讯作者:
    Han, Lei
In situ growth of ZIF-8 nanocrystals on layered double hydroxide nanosheets for enhanced CO2 capture
ZIF-8 纳米晶体在层状双氢氧化物纳米片上的原位生长可增强 CO2 捕获
  • DOI:
    10.1039/c6dt02083f
  • 发表时间:
    2016-08-28
  • 期刊:
    DALTON TRANSACTIONS
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Liu, Peng-Fei;Tao, Kai;Han, Lei
  • 通讯作者:
    Han, Lei

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其他文献

MEMS中永磁材料的微细加工技术研究进展
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2011
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  • 作者:
    陶凯;丁桂甫;杨卓青;王佩红;吴义伯;汪红;王艳
  • 通讯作者:
    王艳
足底软组织硬化对足部生物力学性能影响的三维有限元分析
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    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    医用生物力学
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    李云婷
韧带和跖腱膜在足部有限元分析中的力学作用
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王成焘;王冬梅;王旭;陶凯
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    陶凯
优化施肥模式对我国热带地区水稻-豇豆轮作系统N_(2)O和CH_(4)排放的影响
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    10.13227/j.hjkx.201905095
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    2019
  • 期刊:
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    --
  • 作者:
    胡玉麟;汤水荣;陶凯;何秋香;田伟;秦兴华;伍延正;孟磊
  • 通讯作者:
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基于VMD-JAYA-LSSVM的短期风电功率预测
  • DOI:
    10.14107/j.cnki.kzgc.20190288
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    --
  • 期刊:
    控制工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陶凯;吴定会
  • 通讯作者:
    吴定会

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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