【MOF吸附VOC】金属有机框架在常温常压下对气态甲苯的吸附

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摘要：
本文研究了六种金属有机框架（MOFs：UiO-66、UiO-66(NH2)、ZIF-67、MOF-199、MOF-5 和 MIL-101(Fe)）在常温常压下对气态甲苯的吸附性能。通过亨利定律常数（KH）和吸附焓（DHads）评估了它们与甲苯的相互作用。实验结果表明，UiO-66(NH2) 的最大吸附容量为 252 mg/g，吸附机制主要为氢键和 π-π 复合。研究发现，ANH 终止的 MOFs（如 UiO-66(NH2) 和 ZIF-67）在捕获气态甲苯方面表现出较高的效率。此外，实验还考察了温度、相对湿度和再生循环对吸附性能的影响，为在实际环境中应用这些 MOFs 提供了重要的参考依据。

研究背景：
1）行业问题
甲苯作为一种常见的挥发性有机化合物（VOCs），在许多工业应用中被广泛使用，如溶剂、油漆、油墨等。然而，由于其毒性，即使在低浓度下，甲苯也会对环境和人体健康造成危害。因此，如何有效去除气态甲苯成为了一个亟待解决的环境问题。
2）研究现状
目前，去除气态 VOCs 的方法包括冷凝、吸附、催化氧化和生物降解等。其中，吸附法因其高效性和操作简便性而被广泛应用。传统的吸附剂如活性炭、沸石和棉纤维等虽然具有一定的吸附能力，但在实际应用中存在诸多问题，如易受湿度干扰、吸附容量有限等。为了克服这些问题，研究者们开始探索具有更高吸附容量和选择性的新型吸附材料，金属有机框架（MOFs）因其独特的孔隙结构和可调性而成为研究热点。
3）本文创新
本文在前人研究的基础上，选择了六种具有不同框架结构和表面特性的 MOFs，系统地研究了它们在常温常压下对气态甲苯的吸附性能。通过实验和理论计算，揭示了不同 MOFs 的吸附机制，并评估了温度、湿度和再生循环对吸附性能的影响。特别是，本文详细研究了 ANH 终止的 MOFs（如 UiO-66(NH2) 和 ZIF-67）在吸附甲苯方面的优势，为开发高效吸附材料提供了新的思路。

实验和分析：
1）材料合成和分析表征
-材料合成：六种 MOFs（UiO-66、UiO-66(NH2)、ZIF-67、MOF-199、MOF-5 和 MIL-101(Fe)）通过文献报道的方法合成。
-表征方法：采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、粉末 X 射线衍射（PXRD）和氮气吸附-脱附等温线等方法对合成的 MOFs 进行表征。
-关键表征结果：FTIR 谱图显示了各 MOFs 的特征吸收峰，证实了其结构的形成。SEM 图像展示了 MOFs 的表面形貌，PXRD 图谱确认了其晶体结构。氮气吸附-脱附等温线表明所有 MOFs 均具有较高的比表面积和孔隙体积。

2）主要性能结果的原因分析
-吸附性能：通过动态吸附实验，测定了六种 MOFs 对气态甲苯的吸附容量。结果表明，UiO-66(NH2) 和 ZIF-67 的吸附容量最高，分别为 252 mg/g 和 224 mg/g。这主要归因于 UiO-66(NH2) 中的氨基与甲苯分子之间的氢键作用，以及 ZIF-67 的均匀孔隙结构对甲苯分子的吸附。
-温度和湿度影响：实验发现，随着温度的升高和相对湿度的增加，所有 MOFs 的吸附容量均显著降低。这表明在实际应用中，需要考虑环境条件对吸附性能的影响。
-再生性能：通过多次吸附-脱附循环实验，评估了 MOFs 的再生性能。结果表明，UiO-66(NH2) 在多次循环后仍保持较高的吸附容量，而其他 MOFs 的吸附容量则有不同程度的下降。

总结：
1）本文研究了六种 MOFs 在常温常压下对气态甲苯的吸附性能，发现 UiO-66(NH2) 和 ZIF-67 具有较高的吸附容量和较好的再生性能。吸附机制主要为氢键和 π-π 复合。
2）本文不仅系统地评估了不同 MOFs 的吸附性能，还详细研究了温度、湿度和再生循环对吸附性能的影响，为实际应用提供了重要的参考依据。
3）本文的研究成果为开发高效吸附材料提供了新的思路，特别是在处理气态 VOCs 方面具有重要的应用前景。研究成果可为相关领域的研究提供参考和借鉴。

Metal-organic frameworks for the adsorption of gaseous toluene under ambient temperature and pressure
文章作者：Kowsalya Vellingiri, Pawan Kumar, Akash Deep, Ki-Hyun Kim
DOI：10.1016/j.cej.2016.09.012
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894716312499

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