金屬有機(jī)骨架及其復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、金屬有機(jī)骨架材料是由金屬離子或團(tuán)簇和有機(jī)配體連接而成的一種新型的具有納米孔的三維骨架材料。與傳統(tǒng)的微孔材料相比，金屬有機(jī)骨架材料因具有豐富的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、高的孔隙率、大的比表面積、可控的孔尺寸、強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等性質(zhì)，而使其在吸附、分離、化學(xué)傳感和催化等諸多領(lǐng)域都具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。隨著水體污染、有毒氣體排放和溫室效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，人們對(duì)環(huán)境治理和新能源的開(kāi)發(fā)利用更加關(guān)注，因此有關(guān)金屬有機(jī)骨架材料在環(huán)境和新能源領(lǐng)域的應(yīng)用研究

2、就顯得更加的重要。為了探索金屬有機(jī)骨架材料在環(huán)境和能源領(lǐng)域的應(yīng)用，進(jìn)一步提高其性能，本文主要從水體除鈾、氫能存儲(chǔ)和新能源器件三方面進(jìn)行研究：
　　首先，本文采用溶劑熱法合成了有代表性的水穩(wěn)性較好的HKUST-1，采用XRD、SEM、TEM、FT-IR、TG等方法對(duì)其進(jìn)行表征，并初步研究了HKUST-1對(duì)鈾酰的吸附性能。研究表明，HKUST-1吸附鈾酰離子的最佳條件是鈾溶液初始pH為6，吸附劑用量為0.03g。熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果

3、表明，HKUST-1在不同溫度下吸附鈾酰的等溫線更符合 Langmuir模型，其相關(guān)系數(shù)均大于0.99。吸附過(guò)程是一個(gè)自發(fā)、吸熱的過(guò)程。HKUST-1對(duì)水體中鈾酰離子的吸附在2h左右達(dá)到平衡，準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)HKUST-1吸附鈾酰的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的擬和效果最佳。HKUST-1對(duì)鈾銑離子的吸附機(jī)制初步確定為物理吸附和化學(xué)吸附共同作用。在所選的脫附液中，Na2CO3的脫附效果最好。該研究證明了金屬有機(jī)骨架材料在鈾吸附領(lǐng)域潛在的應(yīng)用價(jià)值，為研究

4、其他金屬有機(jī)骨架材料在鈾吸附領(lǐng)域的應(yīng)用提供了研究基礎(chǔ)。
　　其次，本文采用溶劑熱法，在高的反應(yīng)液濃度和三乙胺輔助生長(zhǎng)的條件下，合成了具有特殊孔結(jié)構(gòu)的MOF-5材料。經(jīng)XRD、SEM、TEM、N2吸脫附等方法對(duì)其進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)所合成的MOF-5材料同時(shí)具有互穿結(jié)構(gòu)和包含晶粒間介孔在內(nèi)的大量的介孔結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，所合成的MOF-5與文獻(xiàn)報(bào)道的MOF-5材料相比，其熱穩(wěn)定性和氫氣存儲(chǔ)能力都得到了提高，熱分解溫度為470℃，儲(chǔ)氫量達(dá)1

5、.86 wt％。另外，在此工作基礎(chǔ)之上，文中還將表面功能化的多壁碳納米管引入到所合成的MOF-5材料中，并研究了碳納米管的引入對(duì)所合成MOF-5結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究結(jié)果表明，碳納米管的植入可以進(jìn)一步提高所合成MOF-5的熱穩(wěn)定性和氫氣存儲(chǔ)能力，同時(shí)還可以提高所合成MOF-5在空氣中的穩(wěn)定性。植入碳納米管后的MOF-5的熱分解溫度為495℃，儲(chǔ)氫量達(dá)2.02 wt%，可在相對(duì)濕度20%的空氣中穩(wěn)定存在6天。該研究對(duì)如何提高其他MOFs材

6、料的儲(chǔ)氫性能具有一定的指導(dǎo)意義。
　　最后，本文以銅網(wǎng)為載體，在銅網(wǎng)表面引入功能化碳納米管作為MOF-5的形核位，采用二次生長(zhǎng)法在 MWCNTs/Copper net上成功制備了MOF-5膜。為了制備MOF-5/MWCNTs/Copper net復(fù)合膜，我們利用Bi2O3/MWCNTs/Cu這個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且組裝機(jī)制相同的體系對(duì)制備工藝進(jìn)行了探索，并提出了兩步自組裝工藝。經(jīng)XRD、SEM和光學(xué)顯微分析，所制得的復(fù)合膜結(jié)晶度高且膜層