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全球气候变暖和化工分离能耗过高是目前面临的两大环境和能源问题。因此,开发高效节能的碳捕获和工业气体小分子分离技术是目前的热点课题。本文主要设计合成几种稳定的金属有机骨架材料（MOFs）,并研究其捕获烟道气和沼气中的CO2、回收煤层气中的甲烷、分离乙烯乙烷和分离C6烷烃异构体的性能。主要涉及几种稳定MOF材料的制备、表征及其对CO2/N2、CO2/CH4、CH4/N2、C2H4/C2H6、C6烷烃异构体的吸附性能和吸附分离机理。本论文工作属于化工、材料、能源和环境交叉的研究领域,具有重要的科学研究价值和实际意义。本文研究了锆基-卟啉MOF（PCN-222）的水稳定性以及在低压和高压下CO2、CH4和N2在材料上的吸附相平衡。结果表明:将PCN-222浸泡在水中24 h后,其BET比表面积不仅没减少,反而增加了24.5%。在298 K和100 k Pa下,PCN-222对CO2/CH4和CO2/N2的吸附选择性分别为4.3和73.7,其CO2/N2吸附选择性是13X分子筛的4.3倍。在298 K和3000 k Pa下,PCN-222具有较高的CO2吸附量（13.67 mmol/g）,是13X分子筛的2.3倍。吸附透过实验验证,PCN-222可有效吸附分离CO2/CH4和CO2/N2混合物。本文选用价格低廉的L-天冬氨酸作为有机配体,制备了锆基-天冬氨酸MOF（MIP-202）,并研究了该材料对CO2/CH4和CO2/N2的吸附分离性能。结果表明:在常温常压下,MIP-202对CO2/CH4和CO2/N2的吸附选择性分别为72.9和1950000,该材料是目前已报道的对CO2/N2吸附选择性最高的吸附材料。Metropolis Monte Carlo模拟计算表明:具有更高极化率和四极矩的CO2分子更倾向于吸附在骨架中具有更高极性的大孔内,而具有更低极化率和四极矩的CH4或N2更倾向于吸附在骨架中具有更低极性的小孔内;又由于骨架中大孔要多于小孔,其优先吸附CO2,导致了MIP-202对CO2/CH4和CO2/N2超高的吸附选择性。同时,MIP-202具有低的CO2吸附热、良好的吸附-脱附循环稳定性和良好的抗SO2腐蚀性能。以羟甲基纤维素为胶黏剂,成功地将粉末状的MIP-202挤压成型为颗粒状,并且成型MIP-202材料相较于粉末吸附材料,其吸附性能和稳定性几乎不发生变化。本文提出一种增强MOF材料对CH4/N2吸附选择性的新策略,即在MOFs孔道内壁上设计四个中心对称μ2-O基团,使其与CH4分子中的四个H原子分别存在C-H···O作用,从而增强MOFs与CH4分子之间的吸附作用力,进而增强MOFs对CH4/N2吸附选择性。为验证该策略的有效性,合成了两种同分异构的铝基MOF材料（CAU-8-BPDC和CAU-21-BPDC）,并对比了它们对CH4/N2的吸附选择性。结果表明:与CAU-8-BPDC不同的是,CAU-21-BPDC的孔壁上有四个中心对称的μ2-O,在常温常压下CAU-21-BPDC对CH4/N2的吸附选择性是CAU-8-BPDC的2.4倍。除此之外,还发现MOF材料的水汽稳定性不仅与其金属-配体键强度、孔道内壁疏水性、金属中心的配位数和骨架的穿插程度有关,还与MOFs对水汽的吸附容量有关。这是本文的重要创新之处。本文考察了具有互穿结构的铁基PCN-245材料对乙烷乙烯的分离性能。结果表明:常温常压下,PCN-245展现出优先吸附乙烷特性。模拟计算表明:与乙烯分子相比,PCN-245的互穿结构给乙烷分子提供了更多的优先吸附位点,导致该材料优先吸附乙烷。因此,可通过设计制备具有互穿骨架结构MOF材料,使其在乙烷乙烯的分离过程中具有优先吸附乙烷特性。这一新发现对于优先吸附乙烷MOFs的设计,具有重要的理论指导意义。本文提出一种提高具有优先吸附乙烷特性MOFs水汽稳定性的策略,即设计MOFs空间结构,使其具有较强金属-配体键、高金属中心配位数、高疏水性、多重互穿结构。为了验证这一策略,本文对比了4种优先吸附乙烷的MOF材料的水汽稳定性,结果表明:这4种MOF材料水汽稳定性的顺序为Zr-bptc>Ui O-66>PCN-245>Ni（bdc）（ted）0.5。金属-配体键强度、金属中心配位数、材料的疏水性和骨架的穿插程度不同,导致其水汽稳定性存在差异。此外,对比优先吸附乙烯和优先吸附乙烷MOFs的结构参数发现:优先吸附乙烷材料会比优先吸附乙烯材料的不饱和金属位更少。这也是本文的重要创新之处。本文首次设计合成出一种具有高化学稳定性和疏水性的新型铁基MOF（Fe-6FDCA）,并研究了该材料对C6烷烃异构体的吸附分离性能。结果表明:Fe-6FDCA对正己烷（n HEX）、3-甲基戊烷（3MP）和2,2-二甲基丁烷（22DMB）具有良好的分离性能。在303 K和10 k Pa下,Fe-6FDCA对n HEX/22DMB的吸附选择性高达27.83,是其他材料选择性的5.4～21.5倍;其n HEX/3MP和3MP/22DMB的吸附选择性分别为8.66和3.82,其吸附选择性处于国际先进水平。这也是本文的重要创新之处。