RU2782623C1 - Metal-organic coordination polymer for accumulating natural gas, methane and method for production thereof - Google Patents

Metal-organic coordination polymer for accumulating natural gas, methane and method for production thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2782623C1
RU2782623C1 RU2021133260A RU2021133260A RU2782623C1 RU 2782623 C1 RU2782623 C1 RU 2782623C1 RU 2021133260 A RU2021133260 A RU 2021133260A RU 2021133260 A RU2021133260 A RU 2021133260A RU 2782623 C1 RU2782623 C1 RU 2782623C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
heated
coordination polymer
metal
natural gas
Prior art date
Application number
RU2021133260A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Алексеевич Фомкин
Аслан Юсупович Цивадзе
Марина Константиновна Князева
Ольга Вячеславовна Соловцова
Андрей Вячеславович Школин
Илья Евгеньевич Меньщиков
Олег Евгеньевич Аксютин
Александр Гаврилович Ишков
Original Assignee
Публичное акционерное общество "Газпром"
Filing date
Publication date
Application filed by Публичное акционерное общество "Газпром" filed Critical Публичное акционерное общество "Газпром"
Priority to PCT/RU2022/000158 priority Critical patent/WO2023085971A1/en
Priority to JP2022577303A priority patent/JP2023552506A/en
Priority to KR1020227041790A priority patent/KR20230165685A/en
Priority to CN202280004669.0A priority patent/CN116685397A/en
Priority to EP22748497.9A priority patent/EP4204140A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2782623C1 publication Critical patent/RU2782623C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: polymers.
SUBSTANCE: invention relates to a method for producing a metal-organic coordination polymer for accumulating natural gas, methane. Method includes the stage of synthesis, consisting of an interaction of equimolar quantities of aluminium nitrate crystalline hydrate and trimesic acid dissolved in an aprotic polar organic solvent with a boiling point above 80 °C, taken in an amount equimolar or excess to the reagents, wherein the aluminium nitrate crystalline hydrate solution is heated to a temperature of 110 °C; the trimesic acid solution is heated to a temperature of 80 to 110 °C; the heated trimesic acid solution is added to the heated aluminium nitrate solution drop by drop while stirring intensively, at a rate of 5 to 15% vol. per minute; the mixture of solutions is heated to a temperature of 140 °C, held until sol is formed; said sol is polymerised at 100 to 150 °C for 2 to 3 days until a metal-organic coordination polymer with a gel structure is formed, and the activation stage consisting of repeated washing of the synthesised metal-organic coordination polymer with a gel structure under conditions of a vacuum with a pressure drop of at least 90 kPa with an aprotic polar organic solvent used at the stage of synthesis, heated to a temperature of 40 to 60 °C; drying for up to 24 hours first under standard conditions, then at a temperature of 100 to 150 °C, followed by thermal evacuation for up to 6 hours at a temperature of 120 to 300 °C and a residual pressure up to 0.26 kPa. Said activation stage ends when the mass of the metal-organic coordination polymer with a gel structure is stabilised. Also proposed is a metal-organic coordination polymer for accumulating natural gas, methane.
EFFECT: possibility of reducing the material consumption of the process by using the same solvent at the stages of synthesis and activation, shortening the time of production of a polymer gel characterised by the presence of active meso- and micropores, allow the gel to be applied as a base in various adsorption processes, including those in natural gas storage systems.
2 cl, 6 dwg, 2 tbl, 5 ex

Description

Группа изобретений относится к технологии приготовления металлорганических полимеров, а именно, к металлорганическому полимеру на основе ионов алюминия, координированных лигандами тримезиновой кислоты, который синтезируется сольвотермальным методом и может найти применение для аккумулирования газов, в частности в системах хранения и транспортировки природного газа, метана.SUBSTANCE: group of inventions relates to a technology for the preparation of organometallic polymers, namely, to an organometallic polymer based on aluminum ions coordinated by trimesic acid ligands, which is synthesized by the solvothermal method and can be used for gas accumulation, in particular in systems for storing and transporting natural gas, methane.

Металлорганические полимеры или, как их еще называют металлорганические структуры, представляют класс пористых адсорбентов, состоящих из ионов или кластеров металлов, координированных полиорганическими лигандами (линкерами). Широкий выбор органических лигандов в сочетании с различными катионами металлов приводит к огромному разнообразию потенциальных пористых материалов с обширным спектром свойств пористой поверхности и химически регулируемыми структурами, которые за это время не раз критически оценивались с точки зрения вариантов применения, включая хранение и разделение газа. В патенте (US №7202385, МПК С07С 41/03; С07С 43/11; C08G 18/28; C08G 65/26; C08G 65/28) приведено большинство структур, описанных в литературе, что иллюстрирует многообразие уже существующих в настоящее время металлорганических полимеров.Organometallic polymers or, as they are also called organometallic structures, represent a class of porous adsorbents consisting of metal ions or clusters coordinated by polyorganic ligands (linkers). A wide variety of organic ligands, combined with various metal cations, has resulted in a huge variety of potential porous materials with a wide range of porous surface properties and chemically controlled structures that have been critically evaluated over time for applications including gas storage and separation. The patent (US No. 7202385, IPC C07C 41/03; C07C 43/11; C08G 18/28; C08G 65/26; C08G 65/28) shows most of the structures described in the literature, which illustrates the variety of currently existing organometallic polymers.

Металлорганические полимеры характеризуются уникальными структурно-энергетическими характеристиками, в т.ч. регулярной кристаллической структурой, высокой удельной поверхностью (до 10000 м2/г) и большим объемом микропор, зачастую превышающих аналогичные характеристики цеолитов и активированных углей, и используются как высокоэффективные адсорбенты, например, для хранения и разделения газа [Т.А. Makal, J.R. Li, W. Lu, H.-C.Zhou Methane storage in advanced porous materials // Chem. Soc. Rev. 2012. V. 41. P. 7761-7779].Organometallic polymers are characterized by unique structural and energy characteristics, incl. regular crystalline structure, high specific surface area (up to 10,000 m 2 /g) and a large volume of micropores, often exceeding those of zeolites and activated carbons, and are used as highly efficient adsorbents, for example, for gas storage and separation [T.A. Makal, JR Li, W. Lu, H.-C. Zhou Methane storage in advanced porous materials, Chem. soc. Rev. 2012. V. 41. P. 7761-7779].

Для создания высокоэффективных металлорганических полимеров, способных применяться в системах хранения и транспортировки газов, они должны обладать не только соответствующими адсорбционными характеристиками, но и температурной стабильностью.To create high-performance organometallic polymers that can be used in gas storage and transportation systems, they must have not only appropriate adsorption characteristics, but also temperature stability.

Наиболее известным и распространенным металлорганическим полимером, обладающим потенциалом для хранения и разделения газов, в том числе, метана [Цивадзе А.Ю., Аксютин О.Е., Ишков А.Г., Фомкин А.А., Меньшиков И.Е., Прибылов А.А., Исаева В.И., Кустов Л.М., Школин А.В., Стриженов Е.М. Адсорбция метана на металлорганической каркасной структуре MOF-199 при высоких давлениях в области сверхкритических температур, Физикохимия поверхности и защита материалов. 2016. Т. 52. №1. С. 24-29.] [Baichuan Sun, Sibnath Kayal, Anutosh Chakraborty, Study of HKUST (Copperbenzene-l,3,5-tricarboxylate, Cu-BTCMOF)-1 metalorganic frameworks for CH4 adsorption: An experimental Investigation with GCMC (grandcanonical Monte-carlo) simulation, Energy (2014), 1-9] является MOF-199, относящийся к семейству HKUST-1, например, патент (US 9925516, МПК B01D 53/02; B01J 20/22; B01J 20/28). Однако, структура MOF-199 обладает недостаточной термической устойчивостью, определяющейся прочностью связей металл-лиганд, так как в случае MOF-199 используется двухвалентный катион меди Cu(II). Решить данную проблему возможно при помощи замены двухвалентного катиона меди на другой катион с более высокими значениями валентности.The most famous and widespread organometallic polymer with the potential for storage and separation of gases, including methane [Tsivadze A.Yu., Aksyutin O.E., Ishkov A.G., Fomkin A.A., Menshikov I.E. , Pribylov A.A., Isaeva V.I., Kustov L.M., Shkolin A.V., Strizhenov E.M. Adsorption of methane on the metal-organic frame structure MOF-199 at high pressures in the region of supercritical temperatures, Physicochemistry of the surface and protection of materials. 2016. V. 52. No. 1. pp. 24-29.] [Baichuan Sun, Sibnath Kayal, Anutosh Chakraborty, Study of HKUST (Copperbenzene-l,3,5-tricarboxylate, Cu-BTCMOF)-1 metalorganic frameworks for CH 4 adsorption: An experimental Investigation with GCMC ( grandcanonical Monte-carlo) simulation, Energy (2014), 1-9] is MOF-199 belonging to the HKUST-1 family, for example, patent (US 9925516, IPC B01D 53/02; B01J 20/22; B01J 20/28 ). However, the structure of MOF-199 has insufficient thermal stability, which is determined by the strength of metal-ligand bonds, since in the case of MOF-199, a divalent copper cation Cu(II) is used. This problem can be solved by replacing the divalent copper cation with another cation with higher valence values.

Наиболее предпочтительным для поставленной задачи является использование трехвалентного катиона алюминия Al(III), так как металлорганические полимеры на основе алюминия обладают высокой температурной стабильностью и механической прочностью, развитым объемом микропор для аккумулирования газов, а также относительно невысокой стоимостью производства, например, по сравнению со схожими по механическим свойствам металлорганическими полимерами на основе циркония Zr(IV) или титана Ti(IV).The use of the trivalent aluminum cation Al(III) is the most preferable for the task at hand, since aluminum-based organometallic polymers have high temperature stability and mechanical strength, a developed volume of micropores for gas accumulation, and a relatively low production cost, for example, in comparison with similar mechanical properties with organometallic polymers based on zirconium Zr(IV) or titanium Ti(IV).

Среди способов синтеза металлорганических полимеров встречаются, как правило, модификации двух наиболее известных методов: сольвотермальный, например, [RU 2457213 С1, МПК C07F 11/00, опубл. 27.07.2012] и под воздействием СВЧ, например, патент [RU 2578599 С1, МПК C08F 293/00, B01J 32/00].Among the methods for the synthesis of organometallic polymers, there are, as a rule, modifications of the two most well-known methods: solvothermal, for example, [RU 2457213 C1, IPC C07F 11/00, publ. 27.07.2012] and under the influence of microwaves, for example, patent [RU 2578599 C1, IPC C08F 293/00, B01J 32/00].

Сольвотермальный способ, частично описанный в РФ 2457213, включает смешение исходных компонентов, в частности, нитрата хрома(III) и терефталевой кислоты в водном растворе при нагревании. Нагревание производят в закрытом объеме со скоростью 11,5°/мин до 220°С, с последующей выдержкой.The solvothermal method, partially described in RF 2457213, includes mixing the initial components, in particular, chromium(III) nitrate and terephthalic acid in an aqueous solution when heated. Heating is carried out in a closed volume at a rate of 11.5°/min to 220°C, followed by exposure.

Способ получения координационного полимера под воздействием СВЧ, например, в RU 2578599, заключается в смешении соли алюминия состава AlCl3×6H2O и органической 2-амино-1,4-бензолдикарбоновой кислоты в присутствии смеси воды и полярного органического растворителя, взятых при массовом соотношении 1:1÷5, соответственно. Затем полученную реакционную смесь нагревают при атмосферном давлении и температуре 120-130°С под воздействием СВЧ-излучения мощностью до 200 Вт. В качестве полярного органического растворителя используют растворитель с температурой кипения выше 130°С, способный эффективно нагреваться в условиях СВЧ-излучения, например диметилсульфоксид, N,N'-диметилформамид или N,N'-диэтилформамид.A method for obtaining a coordination polymer under the influence of microwaves, for example, in RU 2578599, consists in mixing an aluminum salt of the composition AlCl 3 × 6H 2 O and an organic 2-amino-1,4-benzenedicarboxylic acid in the presence of a mixture of water and a polar organic solvent taken at mass ratio 1:1÷5, respectively. Then the resulting reaction mixture is heated at atmospheric pressure and at a temperature of 120-130°C under the influence of microwave radiation with a power of up to 200 W. As a polar organic solvent, a solvent with a boiling point above 130° C., capable of being heated effectively under microwave radiation conditions, such as dimethyl sulfoxide, N,N'-dimethylformamide or N,N'-diethylformamide, is used.

Недостатком описанных подходов является то, что они позволяют получить неактивированные металлорганические полимеры, для которых требуется трудоемкий подбор режимов активации для удаления остатков растворителя при сохранении структуры материала с целью использования их в качестве сорбентов газа.The disadvantage of the described approaches is that they make it possible to obtain non-activated organometallic polymers, which require a laborious selection of activation modes to remove solvent residues while maintaining the structure of the material in order to use them as gas sorbents.

Наиболее близким по сути и достигаемому результату является способ [US 9878906 В2, МПК С01В 3/00, B01D 53/02, опубл. 30.01.2018], включающий взаимодействие при перемешивании и давлении не более 2 бар (абсолютное), по меньшей мере одного соединения металла с по меньшей мере одним, по меньшей мере, бидентатным органическим соединением, которое может координироваться с металлом в присутствии неводного органического растворителя, выбранного из DMF, DEF и NMP, с образованием пористой металлорганической структуры, где металл представляет собой Mg, Са, Be, Sr, Ga или Al, и органическое соединение, которое имеет, по меньшей мере, два атома, выбранных из кислорода, серы или азота, через которые органическое соединение может координироваться с металлом, где, по меньшей мере, одно бидентатное органическое соединение представляет собой ди-, три- или тетракарбоновую кислоту. Реакцию проводят без дополнительного основания, при этом сформированный металлорганический каркас дополнительно прокаливают при температуре выше 250°С. Пример 13 данного изобретения наиболее близок к достигаемому нами результату. В нем осуществляют синтез металлорганического каркасного полимера с растворителем N,N'-диметилформамидом, заключающийся в том, что 7,8 г тримезиновой кислоты (ВТС) и 22,9 г Al(NO3)3*9H2O растворяют в 520,5 г N,N'-диметилформамида при 130°С и выдерживают в течение 4-х дней с перемешиванием полученной суспензии, которую фильтруют промывкой N,N'-диметилформамидом два раза объемом по 100 мл и метанолом четыре раза объемом по 100 мл. Затем фильтр с осажденным на нем веществом просушивают путем термовакуумной сушки при температуре 200°С в течение 16-ти часов. Образованный порошок металлорганического каркаса прокаливают с целью активации при 330°С в муфельной печи с продувкой воздухом с расходом 100 л/час в течение 3-х суток. При этом скорость нагрева печи составляет 75 град/час. Полученный металлорганический каркасный полимер на основе алюминия имеет удельную поверхность, определенную по методу Лэнгмюра, 1791 м2/г.The closest in essence and the achieved result is the method [US 9878906 B2, IPC SW 3/00, B01D 53/02, publ. 01/30/2018], which includes interaction with stirring and a pressure of not more than 2 bar (absolute), at least one metal compound with at least one, at least, bidentate organic compound, which can be coordinated with the metal in the presence of a non-aqueous organic solvent, selected from DMF, DEF and NMP to form a porous organometallic structure where the metal is Mg, Ca, Be, Sr, Ga or Al and an organic compound which has at least two atoms selected from oxygen, sulfur or nitrogen, through which the organic compound can be coordinated with the metal, where at least one bidentate organic compound is a di-, tri - or tetracarboxylic acid. The reaction is carried out without additional base, while the formed organometallic framework is additionally calcined at a temperature above 250°C. Example 13 of this invention is closest to the result we achieve. It carries out the synthesis of an organometallic framework polymer with a solvent N,N'-dimethylformamide, which consists in the fact that 7.8 g of trimesic acid (VTS) and 22.9 g of Al(NO 3 ) 3 *9H 2 O are dissolved in 520.5 g of N,N'-dimethylformamide at 130°C and incubated for 4 days with stirring the resulting suspension, which is filtered by washing with N,N'-dimethylformamide twice with a volume of 100 ml and methanol four times with a volume of 100 ml. Then the filter with the substance deposited on it is dried by thermal vacuum drying at a temperature of 200°C for 16 hours. The formed powder of the organometallic framework is calcined for activation at 330°C in a muffle furnace with air purge at a flow rate of 100 l/h for 3 days. In this case, the heating rate of the furnace is 75 deg/hour. The resulting aluminum-based organometallic framework polymer has a Langmuir specific surface area of 1791 m 2 /g.

Задачей настоящей группы изобретений являлась разработка способа синтеза металлорганического координационного полимера со структурой металлорганического геля, на основе ионов алюминия, координированных лигандами тримезиновой кислоты, обладающего развитой поверхностью нанопор и повышенной термической стабильностью, обеспечивающей возможность использования полученного металлорганического геля в качестве адсорбента в системах транспортировки и хранения газов, в частности, природного газа, метана.The objective of this group of inventions was to develop a method for the synthesis of an organometallic coordination polymer with the structure of an organometallic gel, based on aluminum ions coordinated by trimesic acid ligands, having a developed nanopore surface and increased thermal stability, which makes it possible to use the resulting organometallic gel as an adsorbent in gas transportation and storage systems. , in particular, natural gas, methane.

Техническим результатом, на достижение которого направлена группа изобретений, является:The technical result to be achieved by the group of inventions is:

- создание и сохранение структуры геля у синтезируемого металлорганического координационного полимера;- creation and preservation of the gel structure of the synthesized organometallic coordination polymer;

- повышение его термической стабильности;- increasing its thermal stability;

- сокращение материальных и энергетических затрат на производство за счет снижения времени синтеза и использования одного растворителя на стадии синтеза и промывки.- reduction of material and energy costs for production by reducing the time of synthesis and the use of one solvent at the stage of synthesis and washing.

Технический результат достигается за счет того, что в способе получения металлоорганического координационного полимера для аккумулирования природного газа, метана, включающем стадию синтеза, состоящую из взаимодействия эквимолярных количеств кристаллогидрата нитрата алюминия и тримезиновой кислоты, растворенных в апротонном полярном органическом растворителе с температурой кипения выше 80°С, взятом в эквимолярном или избыточном к реагентам количестве, при этом раствор кристаллогидрата нитрата алюминия нагревают до 110°С, раствор тримезиновой кислоты нагревают до температуры 80-110°С, нагретый раствор тримезиновой кислоты по каплям при интенсивном перемешивании добавляют к нагретому раствору нитрата алюминия со скоростью 5-15% об. в минуту, смесь растворов нагревают до 140°С со скоростью 10-15°С в час, выдерживают до образования золя, который помещают в автоклав и выдерживают в нем при температуре 100-150°С в течении 2-3 суток до образования металлорганического координационного полимера со структурой геля, и стадию активации, состоящую из промывки синтезированного металлорганического координационного полимера со структурой геля нагретым до 40-60°С апротонным полярным органическим растворителем, используемым на стадии синтеза, с помощью вакуумсоздающей фильтрующей системы при перепаде давления не менее 90 кПа, сушки при комнатной температуре, сушки в сушильном шкафу при 100-150°С, инсталляции в термовакуумной камере при 120-300°С и остаточном давлении до 0,26 кПа, стадию активации завершают при стабилизации массы металлорганического координационного полимера со структурой геля.The technical result is achieved due to the fact that in the method for obtaining an organometallic coordination polymer for the accumulation of natural gas, methane, including a synthesis stage consisting of the interaction of equimolar amounts of aluminum nitrate crystal hydrate and trimesic acid dissolved in an aprotic polar organic solvent with a boiling point above 80°C , taken in an equimolar or excess amount to the reagents, while the solution of aluminum nitrate crystal hydrate is heated to 110 ° C, the trimesic acid solution is heated to a temperature of 80-110 ° C, the heated trimesic acid solution is added dropwise with vigorous stirring to the heated aluminum nitrate solution with speed 5-15% vol. per minute, the mixture of solutions is heated to 140°C at a rate of 10-15°C per hour, kept until a sol is formed, which is placed in an autoclave and kept at a temperature of 100-150°C for 2-3 days until an organometallic coordination polymer with a gel structure, and an activation step consisting of washing the synthesized organometallic coordination polymer with a gel structure with an aprotic polar organic solvent heated to 40-60 ° C, used in the synthesis stage, using a vacuum-generating filter system at a pressure drop of at least 90 kPa, drying at room temperature, drying in an oven at 100-150°C, installation in a thermal vacuum chamber at 120-300°C and a residual pressure of up to 0.26 kPa, the activation stage is completed upon stabilization of the mass of the organometallic coordination polymer with a gel structure.

Металлоорганический координационный полимер со структурой геля для аккумулирования природного газа, метана, обладающий термической стабильностью при температурах не менее 500°С, содержащий поры с эффективным внутренним диаметром 0,75-0,80 нм, удельной поверхностью от 1300 до 1700 м2/г, объемом микропор 0,5-0,6 см3/г, суммарным объемом пор 1,0-1,8 см3/г.Organometallic coordination polymer with a gel structure for accumulating natural gas, methane, having thermal stability at temperatures of at least 500 ° C, containing pores with an effective inner diameter of 0.75-0.80 nm, specific surface area from 1300 to 1700 m 2 /g, micropore volume 0.5-0.6 cm 3 /g, total pore volume 1.0-1.8 cm 3 /g.

Группа изобретений поясняется таблицами и иллюстрациями:The group of inventions is illustrated by tables and illustrations:

Таблица 1 - Химический состав поверхности синтезированного металлорганического геля, где: Wt - весовые проценты, At - атомные проценты;Table 1 - Chemical composition of the surface of the synthesized organometallic gel, where: Wt - weight percent, At - atomic percent;

Таблица 2 - Параметры пористой структуры синтезированных образцов металлорганического геля, где: V0 - удельный объем микропор, см3/г; Е0 - характеристическая энергия адсорбции азота, кДж/моль; D - эффективный внутренний диаметр микропор, нм; Е - характеристическая энергия адсорбции бензола, кДж/моль; SБЭТ - площадь удельной поверхности по методу БЭТ, м2/г; Vs - суммарный объем пор, см3/г; Sme - площадь мезопор, м2/г; Vme - объем мезопор, см3/г.Table 2 - Parameters of the porous structure of the synthesized samples of organometallic gel, where: V 0 - specific volume of micropores, cm 3 /g; E 0 - characteristic energy of nitrogen adsorption, kJ/mol; D is the effective inner diameter of micropores, nm; E is the characteristic adsorption energy of benzene, kJ/mol; S BET - specific surface area according to the BET method, m 2 /g; V s - total pore volume, cm 3 /g; S me - area of mesopores, m 2 /g; V me - volume of mesopores, cm 3 /g.

Фиг. 1 - Фотография электронной сканирующей микроскопии полученного образца металлорганического координационного полимера со структурой геля;Fig. 1 - Photograph of scanning electron microscopy of the obtained sample of an organometallic coordination polymer with a gel structure;

Фиг. 2 - ИК-спектры синтезированного металлорганического координационного полимера со структурой геля - сплошная линия, металлорганический полимер на основе алюминия (прототип) - пунктирная линия.Fig. 2 - IR spectra of the synthesized organometallic coordination polymer with a gel structure - solid line, aluminum-based organometallic polymer (prototype) - dotted line.

Фиг. 3 - Дифрактограммы синтезированного металлорганического координационного полимера со структурой геля - линия сверху, металлорганический полимер на основе алюминия (прототип) - линия снизу.Fig. 3 - X-ray diffraction patterns of the synthesized organometallic coordination polymer with a gel structure - top line, aluminum-based organometallic polymer (prototype) - bottom line.

Фиг. 4 - Термогравиметрические кривые: сплошная линия -синтезированный образец металлорганического координационного полимера со структурой геля; пунктирная линия - металлорганический полимер на основе алюминия (прототип).Fig. 4 - Thermogravimetric curves: solid line - synthesized sample of an organometallic coordination polymer with a gel structure; dotted line - organometallic polymer based on aluminum (prototype).

Фиг. 5 - Изотерма адсорбции-десорбции азота при 77 К на образце (1). Светлые символы - адсорбция. Темные символы - десорбция.Fig. 5 - Isotherm of adsorption-desorption of nitrogen at 77 K on the sample (1). Light symbols - adsorption. Dark symbols - desorption.

Фиг. 6 - Каркасная модель фрагмента синтезированного металлоорганического координационного полимера, где D - эффективный внутренний диаметр микропоры.Fig. 6 - Skeleton model of a fragment of the synthesized organometallic coordination polymer, where D is the effective inner diameter of the micropore.

Предлагаемая группа изобретений реализуется следующим образом.The proposed group of inventions is implemented as follows.

Пример 1Example 1

Тримезиновую кислоту (1,3,5-бензолтрикарбоновую кислоту (Н3ВТС)) и кристаллогидрат нитрата алюминия Al(NO3)3⋅9H2O растворяли в органическом растворителе N,N'-диметилформамиде в мольном соотношении 1:1 (1 моль кислоты на 1 моль растворителя, и 1 моль соли на 1 моль растворителя). Полученные растворы подогревали, раствор соли алюминия до 110°С, раствор тримезиновой кислоты до 80°С. Затем разогретый раствор тримезиновой кислоты по каплям, со скоростью 5-15% об./мин, приливали к раствору соли алюминия, при интенсивном перемешивании магнитной мешалкой, постепенно повышая температуру реакционной смеси до 140°С, и выдерживали до образования золя (загустевания раствора). Полученный золь помещали в аналитический автоклав с плотной завинчивающейся крышкой и фторопластовым вкладышем, после чего отправляли в печь, где вели синтез при температуре 100°С с постепенным нагревом до 140°С, и выдерживали еще двое суток. Активацию проводили следующим образом: образующийся осадок металлоорганического геля (МОГ) отделяли от маточного раствора методом термовакуумного фильтрования (десорбции молекул растворителя), а именно, многократно в условиях вакуума, при перепаде давления не менее 90 кПа промывали растворителем - N,N'-диметилформамидом, объемом 150 мл, нагретым до температуры 60°С. Далее осадок сушили сначала в стандартных условиях, затем в сушильном шкафу при температуре 100°С, с подъемом в течение 20 ч до 140°С, и выдерживали при 140°С еще 4 ч. При таком режиме сушки сначала удаляется поверхностная вода (при 100°С), затем внутренняя не связанная (100-140°С), что позволяет стабилизировать каркас синтезированного МОГ. Полученный образец МОГ активировали для максимального удаления внутренней связанной (кристаллогидратной) воды и растворителя в термовакуумной камере при температуре 200°С, остаточном давлении до 0,26 кПа (2 мм рт.ст.) до постоянной массы (около 6 часов).Trimesic acid (1,3,5-benzenetricarboxylic acid (Н 3 ВТС)) and aluminum nitrate crystal hydrate Al(NO 3 ) 3 ⋅9H 2 O were dissolved in the organic solvent N,N'-dimethylformamide in a molar ratio of 1:1 (1 mol acids per 1 mol of solvent, and 1 mol of salt per 1 mol of solvent). The resulting solutions were heated, aluminum salt solution to 110°C, trimesic acid solution to 80°C. Then, the heated trimesic acid solution was added dropwise, at a rate of 5-15% rpm, to the aluminum salt solution, with vigorous stirring with a magnetic stirrer, gradually raising the temperature of the reaction mixture to 140°C, and kept until a sol was formed (solution thickened) . The resulting sol was placed in an analytical autoclave with a tight screw cap and a fluoroplastic insert, after which it was sent to an oven, where synthesis was carried out at a temperature of 100°C with gradual heating to 140°C, and kept for another two days. Activation was carried out as follows: the resulting precipitate of the organometallic gel (MOG) was separated from the mother liquor by thermal vacuum filtration (desorption of solvent molecules), namely, repeatedly under vacuum, at a pressure drop of at least 90 kPa, washed with a solvent - N,N'-dimethylformamide, volume of 150 ml, heated to a temperature of 60°C. Next, the precipitate was dried first under standard conditions, then in an oven at a temperature of 100°C, with a rise to 140°C for 20 hours, and kept at 140°C for another 4 hours. In this drying mode, surface water is first removed (at 100 °C), then internal unbound (100-140°C), which allows stabilizing the framework of the synthesized MOG. The resulting MOG sample was activated to remove internal bound (crystal hydrate) water and solvent to the maximum in a thermal vacuum chamber at a temperature of 200°C, a residual pressure of up to 0.26 kPa (2 mm Hg) to constant weight (about 6 hours).

Полученный образец представляет собой металлорганический координационный полимер (МОКП) на основе ионов алюминия, координированных лигандами тримезиновой кислоты, имеет структуру геля и химический состав поверхности, указанный в таблице 1. Его физико-химические свойства подтверждаются данными результатов анализа, приведенными на: Фиг. 2 - характеристика поглощения материалом ИК-спектра, Фиг. 3 - дифрактограмма, Фиг. 4 - термогравиметрическая кривая, Фиг. 5 - изотермы адсорбции. Фотография электронной сканирующей микроскопии полученного образца МОКП со структурой геля (Фиг. 1), показывает наличие кристаллов различных размеров и небольшое количество аморфной фазы между ними, что свидетельствует о неоднородности молекулярно-массового распределения полученного полимера за счет сокращения, по сравнению с прототипом, времени его синтеза. Выбор специальных условий активации для максимального удаления как свободной, так и связанной жидкой фазы способствует сохранению структуры пор, обеспечивает приемлемую прочность и термическую стабильность МОКП (Фиг. 4). В условиях высокой аэродинамической нагрузки, которой подвергается в ходе эксплуатации аккумулятор природного газа, такие характеристики предпочтительны, что объясняет преимущества полученной структуры полимерного геля для обозначенного целевого использования, перед структурами МОКП с высокой степенью кристалличности, твердыми, но хрупкими.The obtained sample is an organometallic coordination polymer (MOCP) based on aluminum ions coordinated by trimesic acid ligands, has a gel structure and surface chemical composition indicated in Table 1. Its physicochemical properties are confirmed by the data of the analysis results shown in: FIG. 2 shows the absorption characteristic of the material in the IR spectrum, FIG. 3 - diffractogram, Fig. 4 - thermogravimetric curve, FIG. 5 - adsorption isotherms. A photograph of scanning electron microscopy of the obtained sample of MOF with a gel structure (Fig. 1) shows the presence of crystals of various sizes and a small amount of amorphous phase between them, which indicates the heterogeneity of the molecular weight distribution of the resulting polymer due to the reduction, compared with the prototype, of its time synthesis. The choice of special activation conditions for the maximum removal of both the free and bound liquid phase contributes to the preservation of the pore structure, provides acceptable strength and thermal stability of the MOF (Fig. 4). Under the conditions of high aerodynamic loading that a natural gas accumulator is subjected to during operation, such characteristics are preferable, which explains the advantages of the resulting polymer gel structure for the designated intended use, over highly crystalline, hard but brittle MOSF structures.

Полосы поглощения ИК-спектра синтезированного МОКП, Фиг. 2, наблюдаемые в интервале 663-766 см-1, соответствуют колебаниям связей в бензольном кольце и вне плоскости ароматического кольца. Полосы, возникающие между 827-1153 см-1, относятся к симметричным и асимметричным деформационным колебаниям O-С=O. Интенсивные пики поглощения при 1368, 1445 и 1640 см-1 связаны с деформационными колебаниями связей С-О, асимметричным и симметричным типами С=O соответственно в группе -СООН (в тримезиновой кислоте). Такие характеристики также свидетельствуют об образовании МОКП заявленного химического состава.Absorption bands of the IR spectrum of the synthesized MOSF, Fig. 2, observed in the range 663-766 cm -1 , correspond to vibrations of bonds in the benzene ring and outside the plane of the aromatic ring. Bands appearing between 827-1153 cm -1 refer to symmetric and asymmetric bending vibrations O-C=O. Intense absorption peaks at 1368, 1445 and 1640 cm -1 are associated with deformation vibrations of C-O bonds, asymmetric and symmetric C=O types, respectively, in the -COOH group (in trimesic acid). Such characteristics also indicate the formation of MOFs of the claimed chemical composition.

Результаты анализа термической стабильности синтезированного МОКП со структурой геля, представленные на Фиг. 4, позволили установить, что его термическое разложение наступает при температурах выше 500°С. Это свидетельствует о повышенной термической стабильности полученного полимера в сравнении с известными металлорганическими координационными полимерами на основе катионов алюминия, координированных лигандами тримезиновой кислоты.The results of the analysis of thermal stability of the synthesized MOF with a gel structure, presented in Fig. 4 allowed us to establish that its thermal decomposition occurs at temperatures above 500°C. This indicates an increased thermal stability of the obtained polymer in comparison with the known organometallic coordination polymers based on aluminum cations coordinated with trimesic acid ligands.

Анализ параметров пористой структуры синтезированного образца (1) (см. таблицу 2) металлорганического геля по изотерме стандартного пара азота при температуре минус 196,15°С (77 K), Фиг. 5, проводили методом БЭТ и теории объемного заполнения микропор. Изотерма адсорбции имеет вид, характерный для микро-мезопористых адсорбентов. На Фиг. 6 приведена каркасная модель фрагмента металлоорганического геля (МОГ), схематически иллюстрирующая его геометрию и поровые характеристики.Analysis of the parameters of the porous structure of the synthesized sample (1) (see Table 2) of an organometallic gel according to the isotherm of standard nitrogen vapor at a temperature of minus 196.15°C (77 K), Fig. 5 was carried out by the BET method and the theory of volumetric filling of micropores. The adsorption isotherm has a form characteristic of micro-mesoporous adsorbents. On FIG. Figure 6 shows a wireframe model of an organometallic gel (MOG) fragment, schematically illustrating its geometry and pore characteristics.

Пример 2.Example 2

Отличается от примера 1 тем, что раствор тримезиновой кислоты подогревали до 110°С, затем приливали к раствору кристаллогидрата нитрата алюминия при перемешивании со скоростью 1 мл/мин. Стадию синтеза проводили при повышении температуры от 100 до 120°С и далее выдерживали при температуре 120°С еще 60 ч. Стадию сушки в сушильном шкафу проводили при температуре 100°С с постепенным нагревом до 120°С. Выдерживали в термовакуумной камере при 120°С. Результаты анализа пористой структуры полученного образца металлорганического геля (2) представлены в таблице 2.It differs from example 1 in that the trimesic acid solution was heated to 110°C, then poured into a solution of aluminum nitrate crystal hydrate with stirring at a rate of 1 ml/min. The stage of synthesis was carried out at an increase in temperature from 100 to 120°C and then kept at a temperature of 120°C for another 60 hours. The stage of drying in an oven was carried out at a temperature of 100°C with gradual heating to 120°C. Kept in a thermal vacuum chamber at 120°C. The results of the analysis of the porous structure of the obtained sample of organometallic gel (2) are presented in table 2.

Пример 3.Example 3

Отличается от примера 1 тем, что тримезиновую кислоту и кристаллогидрат нитрата алюминия растворяли в органическом растворителе диэтилсульфоксиде в мольном соотношении 1:2 (1 моль кислоты на 2 моль растворителя, и 1 моль соли на 2 моль растворителя). Стадию синтеза проводили при повышении температуры от 100 до 150°С и далее выдерживали при температуре 150°С еще 48 ч. Стадию сушки в сушильном шкафу проводили при температуре 100°С и постепенным нагревом до 130°С. Выдерживали в термовакуумной камере при 250°С. Результаты анализа пористой структуры полученного образца металлорганического геля (3) представлены в Таблице 2.It differs from example 1 in that trimesic acid and aluminum nitrate crystalline hydrate were dissolved in an organic solvent diethyl sulfoxide in a molar ratio of 1:2 (1 mol of acid per 2 mol of solvent, and 1 mol of salt per 2 mol of solvent). The synthesis step was carried out at a temperature increase from 100 to 150°C and then kept at a temperature of 150°C for another 48 hours. The drying step in an oven was carried out at a temperature of 100°C and gradually heated to 130°C. Kept in a thermal vacuum chamber at 250°C. The results of the analysis of the porous structure of the obtained sample of organometallic gel (3) are presented in Table 2.

Пример 4.Example 4

Отличается от примера 1 тем, что в качестве растворителя использовали диэтилформамид, стадию синтеза проводили при температуре 120°С в течении 60 ч. Стадию сушки в сушильном шкафу проводили при температуре 100°С с постепенным нагревом до 120°С. Выдерживали в термовакуумной камере при 300°С. Результаты анализа пористой структуры полученного образца металлорганического геля (4) представлены в Таблице 2.It differs from example 1 in that diethylformamide was used as a solvent, the synthesis stage was carried out at a temperature of 120°C for 60 hours. The drying stage in an oven was carried out at a temperature of 100°C with gradual heating to 120°C. Kept in a thermal vacuum chamber at 300°C. The results of the analysis of the porous structure of the obtained sample of organometallic gel (4) are presented in Table 2.

Пример 5.Example 5

Отличается от примера 1 тем, что стадию синтеза проводили при температуре 130°С при повышении температуры до 140°С и далее выдерживали при температуре 140°С еще 48 ч, а стадию активации - методом фильтрования растворителем диметилсульфоксидом, подогретым до температуры 40°С, сушку в сушильном шкафу проводили при 100°С с нагревом до 140°С, выдерживали в термовакуумной камере при 160°С. Результаты анализа пористой структуры полученного образца металлорганического геля (5) представлены в Таблице 2.It differs from example 1 in that the synthesis stage was carried out at a temperature of 130°C with an increase in temperature to 140°C and then kept at a temperature of 140°C for another 48 hours, and the activation stage was carried out by solvent filtration with dimethyl sulfoxide heated to a temperature of 40°C, drying in an oven was carried out at 100°C with heating to 140°C, kept in a thermal vacuum chamber at 160°C. The results of the analysis of the porous structure of the obtained sample of organometallic gel (5) are presented in Table 2.

Предлагаемая группа изобретений позволяет получить металлоорганический координационный полимер со структурой геля, с развитой внутренней поверхностью, состоящей из микро- и мезопор, обладающий, по сравнению с аналогичными материалами, более высокой термической стабильностью, а параметры сушки и активации способствуют максимальному сохранению полученных на стадии синтеза поровых характеристик, что в целом свидетельствует о достижении заявленного технического результата.The proposed group of inventions makes it possible to obtain an organometallic coordination polymer with a gel structure, with a developed inner surface consisting of micro- and mesopores, which, in comparison with similar materials, has a higher thermal stability, and the drying and activation parameters contribute to the maximum preservation of the pores obtained at the synthesis stage. characteristics, which generally indicates the achievement of the claimed technical result.

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Claims (2)

1. Способ получения металлоорганического координационного полимера для аккумулирования природного газа, метана, включающий в себя стадию синтеза, состоящую из взаимодействия эквимолярных количеств кристаллогидрата нитрата алюминия и тримезиновой кислоты, растворенных в апротонном полярном органическом растворителе с температурой кипения выше 80°С, взятом в эквимолярном или избыточном к реагентам количестве, при этом раствор кристаллогидрата нитрата алюминия нагревают до температуры 110°С, раствор тримезиновой кислоты нагревают до температуры 80-110°С, нагретый раствор тримезиновой кислоты по каплям при интенсивном перемешивании добавляют к нагретому раствору нитрата алюминия со скоростью 5-15% об. в минуту, смесь растворов подогревают до температуры 140°С, выдерживают до образования золя, который полимеризуют при температуре 100-150°С в течение 2-3 суток до образования металлоорганического координационного полимера со структурой геля, и стадию активации, состоящую из многократной промывки синтезированного металлоорганического координационного полимера со структурой геля в условиях вакуума при перепаде давления не менее 90 кПа нагретым до температуры 40-60°С апротонным полярным органическим растворителем, используемым на стадии синтеза, сушки до 24 часов сначала в стандартных условиях, затем при температуре 100-150°С, термовакуумирования до 6 часов при температуре 120-300°С и остаточном давлении до 0,26 кПа, при этом стадию активации завершают при стабилизации массы металлоорганического координационного полимера со структурой геля.1. A method for producing an organometallic coordination polymer for the storage of natural gas, methane, which includes a synthesis stage consisting of the interaction of equimolar amounts of aluminum nitrate crystal hydrate and trimesic acid dissolved in an aprotic polar organic solvent with a boiling point above 80 ° C, taken in equimolar or excess to the reagents, while the solution of hydrated aluminum nitrate is heated to a temperature of 110°C, the solution of trimesic acid is heated to a temperature of 80-110°C, the heated solution of trimesic acid is added dropwise with vigorous stirring to the heated solution of aluminum nitrate at a rate of 5-15 % about. per minute, the mixture of solutions is heated to a temperature of 140°C, kept until a sol is formed, which is polymerized at a temperature of 100–150°C for 2–3 days until an organometallic coordination polymer with a gel structure is formed, and an activation stage consisting of repeated washing of the synthesized an organometallic coordination polymer with a gel structure under vacuum at a pressure drop of at least 90 kPa with an aprotic polar organic solvent heated to a temperature of 40-60 ° C, used at the stage of synthesis, drying up to 24 hours, first under standard conditions, then at a temperature of 100-150 ° C, thermal vacuum up to 6 hours at a temperature of 120-300°C and a residual pressure of up to 0.26 kPa, while the activation stage is completed when the mass of the organometallic coordination polymer with the gel structure is stabilized. 2. Металлоорганический координационный полимер для аккумулирования природного газа, метана, полученный способом по п. 1, имеющий структуру геля и обладающий термической стабильностью при температуре не менее 500°С, содержащий поры с эффективным внутренним диаметром 0,75-0,80 нм, удельной поверхностью от 1300 до 1700 м2/г, объемом микропор 0,5-0,6 см3/г, суммарным объемом пор 1,0-1,8 см3/г.2. Organometallic coordination polymer for the storage of natural gas, methane, obtained by the method according to p. surface from 1300 to 1700 m 2 /g, micropore volume 0.5-0.6 cm 3 /g, total pore volume 1.0-1.8 cm 3 /g.
RU2021133260A 2021-11-15 2021-11-15 Metal-organic coordination polymer for accumulating natural gas, methane and method for production thereof RU2782623C1 (en)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2022/000158 WO2023085971A1 (en) 2021-11-15 2022-05-16 Organometallic coordination polymer for accumulation of natural gas, methane and the method for production thereof
JP2022577303A JP2023552506A (en) 2021-11-15 2022-05-16 Organometallic coordination polymer for natural gas and methane storage and method for producing the same
KR1020227041790A KR20230165685A (en) 2021-11-15 2022-05-16 Organometallic coordination polymer for accumulation of natural gas and methane and method for producing the same
CN202280004669.0A CN116685397A (en) 2021-11-15 2022-05-16 Organometallic coordination polymer for natural gas and methane accumulation and production method thereof
EP22748497.9A EP4204140A1 (en) 2021-11-15 2022-05-16 Organometallic coordination polymer for accumulation of natural gas, methane and the method for production thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2782623C1 true RU2782623C1 (en) 2022-10-31

Family

ID=

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9878906B2 (en) * 2005-08-22 2018-01-30 Basf Se Method for producing organometallic framework materials containing main group metal ions
US20180104638A1 (en) * 2015-07-08 2018-04-19 Commonwealth Scientific And Industrial Research Or Ganisation Composition and system for gas storage

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9878906B2 (en) * 2005-08-22 2018-01-30 Basf Se Method for producing organometallic framework materials containing main group metal ions
US20180104638A1 (en) * 2015-07-08 2018-04-19 Commonwealth Scientific And Industrial Research Or Ganisation Composition and system for gas storage

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TRANCHEMONTAGNE D.J. et al, Room temperature synthesis of metal-organic framewirks: MOF-5, MOF-74, MOF-177, MOF-199, and IRMOF-0, Tetrahedron, 2008, v. 64, p. 8553-8557, doi:10.1016/j.tet.2008.06.036. *
БАТРАКОВА М.К. и др., Синтез и структурно-энергетические характеристики металлорганической каркасной структуры MOF AL-BTC, Физикохимия поверхности и защита материалов, 2017, т. 53, N 6, с. 563-568. SAHA D. et al, Synthesis, characterization and hydrogen adsorption on metal-organic frameworks Al, Cr, Fe and Ga-BTB, Chemical Engineering Journal, 2011, v. 171, p. 517-525, doi:10.1016/j.cej.2011.04.019. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109562952B (en) Solid-state crystallization method of metal organic framework in mesoporous material and hybrid material thereof
Wang et al. Missing-node directed synthesis of hierarchical pores on a zirconium metal–organic framework with tunable porosity and enhanced surface acidity via a microdroplet flow reaction
Sanz et al. Synthesis of a honeycomb-like Cu-based metal–organic framework and its carbon dioxide adsorption behaviour
US9777029B2 (en) Process for obtaining metal-organic materials with structure type MIL-101 (Cr) and MIL-101-Cr-MX+
Rallapalli et al. HF‐free synthesis of MIL‐101 (Cr) and its hydrogen adsorption studies
Ta et al. Preparation of nano‐ZIF‐8 in methanol with high yield
Lee et al. Microporous metal–organic frameworks with high gas sorption and separation capacity
KR102267930B1 (en) Novel aluminum-based metal-organic framework having a 3-dimensinal porous structure comprising 2 or more ligands, and preparation method therefor and uses thereof
Reinsch et al. Structure and properties of Al-MIL-53-ADP, a breathing MOF based on the aliphatic linker molecule adipic acid
Karimi et al. Modulated formation of metal-organic frameworks by oriented growth over mesoporous silica
EP2438073A2 (en) Complex mixed ligand open framework materials
WO2012005449A2 (en) Zeolite or an analogous material thereof including mesopores arranged regularly or irregularly, and preparation method for same
EP3595808B1 (en) Organic - inorganic porous hybrid material, method for obtaining it and use thereof
RU2719596C1 (en) Fast and scalable method of producing microporous zinc 2-methylimidazolate
Madhav et al. Synthesis of nanoparticles of zeolitic imidazolate framework ZIF-94 using inorganic deprotonators
RU2782623C1 (en) Metal-organic coordination polymer for accumulating natural gas, methane and method for production thereof
Grad et al. MOF/Al2O3 composites obtained by immobilization of MIL-53 (Cr) or MIL-101 (Cr) on γ-alumina: preparation and characterization
KR102389822B1 (en) Organic-Inorganic Hybrid nanoporous materials and applications thereof
RU2578600C1 (en) Method of producing porous coordination polymers mil-53
Sabo et al. Titanium terephthalate (TT-1) hybrid materials with high specific surface area
RU2578599C1 (en) METHOD OF PRODUCING POROUS COORDINATION POLYMER NH2-MIL-101(Al) AND POROUS COORDINATION POLYMER NH2-MIL-101(Al), OBTAINED USING SAID METHOD
Lancheros et al. Modulation of CO 2 adsorption in novel pillar-layered MOFs based on carboxylate–pyrazole flexible linker
JP2023552506A (en) Organometallic coordination polymer for natural gas and methane storage and method for producing the same
JP7049595B2 (en) Aluminum organic structures, adsorption materials using them, and methods for manufacturing them.
Ediati et al. Nanoporous carbon prepared with MOF-5 as a template and activated using KOH for hydrogen storage