金属—有机骨架化合物及其碳纳米管杂化材料的合成与性能研究

论文摘要

金属-有机骨架化合物（MOFs）是一类具有广阔应用前景的新型多孔材料。本文主要研究MOFs材料的合成、改性、活化和气体存储。采用溶剂热法、微波法、离心法成功合成金属-有机骨架材料：Cu3（btc）、ZIF-8、MIL-53和碳纳米管（CNTs）杂化材料CNT@[Cu3（btc）2]。利用X射线粉末衍射、热重分析、傅立叶红外光谱、透射电镜、X射线光电子能谱分析等方式对样品进行系统表征。结果表明碳纳米管的引入能增强材料的强度,并在材料活化时能为客体溶剂分子的脱离提供良好的通道,使得CNT@[Cu3（btc）2]具有更大的孔容。吸附性能测试表明,和未改性材料相比,碳纳米管杂化MOF材料对CO2和CH4的吸附存储能力分别提高了102%和66.7%（298K,18bar）。对材料Cu3（btc）2、ZIF-8、MIL-53均分别采用常规的“低沸点溶剂（氯仿）置换法”和“超临界CO2（Sc-CO2）干燥法”活化样品,结果说明：通过Sc-CO2干燥法活化的MOFs孔道内客体溶剂分子脱除比较彻底,并且溶剂分子脱离后不影响晶体骨架结构,孔道不坍塌,其比表面积和孔容都会比常规活化方法的大,故Sc-CO2干燥法在活化MOFs时效果优于低沸点溶剂（氯仿）置换法。选择钴离子作为金属中心,4,4’-二吡啶基二硫作为有机配体,采用水和乙醇的混合溶剂低温缓慢挥发法,成功合成新型二维金属-有机骨架结构晶体：Co-Dpds。通过X射线单晶衍射仪进行单晶结构解析,结构式为[Co（O）2（Dpds）2]n。晶体高温脱水后形成未饱和金属位,对研究其储气、催化性能有积极意义。

论文目录

• 学位论文数据集
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 金属-有机骨架材料概述
• 1.1.1 MOFs的特点
• 1.1.1.1 多孔性
• 1.1.1.2 高比表面积
• 1.1.1.3 结构多样化
• 1.1.1.4 孔道可调控、性能多样化
• 1.1.2 MOFs的合成方法
• 1.1.2.1 溶剂（水）热合成
• 1.1.2.2 微波辅助溶剂（水）热合成
• 1.1.2.3 普通溶液反应
• 1.1.2.4 溶剂扩散法
• 1.1.2.5 离子液体热法
• 1.1.3 MOFs结构的影响因素
• 1.1.3.1 反应温度、PH值
• 1.1.3.2 模板剂与溶剂
• 1.1.3.3 反应物配比
• 1.1.4 MOFs的应用
• 1.1.4.1 气体存储
• 1.1.4.2 吸附分离
• 1.2 金属-有机骨架材料的研究进展
• 1.3 碳纳米管概述
• 1.4 本课题的研究内容和意义
• 1.4.1 研究的目的和科学依据
• 1.4.2 本课题的研究内容
• 第二章 CNT@MOF杂化材料的制备与性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 主要药品与实验仪器
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.2.1 多壁碳纳米管的预处理
• 3（btc）₂的合成及活化'>2.2.2.2 Cu₃（btc）₂的合成及活化
• 3（btc）₂]的合成及活化'>2.2.2.3 CNT@[Cu₃（btc）₂]的合成及活化
• 2.2.3 结构表征
• 2.2.3.1 X射线粉末衍射（PXRD）
• 2.2.3.2 热重分析（TGA）
• 2.2.3.3 红外光谱表征（FT-IR）
• 2.2.3.4 透射电镜（TEM）
• 2.2.3.5 X射线光电子能谱分析（XPS）
• 2.2.4 吸附性能测试
• 2吸附'>2.2.4.1 N₂吸附
• 2和CH₄吸附'>2.2.4.2 CO₂和CH₄吸附
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 表征结果分析
• 2.3.2 小结
• 第三章 不同活化方法对MOFs性能影响研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3（btc）₂的合成、活化'>3.2.1 Cu₃（btc）₂的合成、活化
• 3（btc）₂'>3.2.1.1 溶剂热法合成Cu₃（btc）₂
• 3（btc）₂'>3.2.1.2 微波法合成Cu₃（btc）₂
• 2活化Cu₃（btc）₂'>3.2.1.3 超临界CO₂活化Cu₃（btc）₂
• 3.2.2 ZIF-8,MIL-53的合成、活化
• 3.2.2.1 溶剂热法合成ZIF-8及其活化
• 3.2.2.2 离心法合成ZIF-8
• 3.2.2.3 MIL-53的制备及活化
• 2吸附性能测试'>3.2.3 结构表征及N₂吸附性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3（btc）₂表征结果分析'>3.3.1 Cu₃（btc）₂表征结果分析
• 3.3.2 ZIF-8、MIL-53活化结果讨论
• 3.3.3 小结
• 第四章 新型金属-有机骨架晶体的合成与表征
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 合成方法
• 4.2.2 结构表征
• 4.2.2.1 X-射线单品结构解析
• 4.2.2.2 PXRD表征
• 4.3 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附件