基于膜渗透辅助晶种法在PVDF膜表面构筑ZIF-8的研究

发布时间：2018-11-15 14:50

【摘要】：金属-有机骨架材料(Metal-Organic Framewokrs, MOFs)是由无机金属节点与有机配体构筑的新型晶态多孔材料,通过拓扑结构的定向设计和有机配体的拓展,实现多种结构的纳米尺寸孔道构筑。MOFs独特的结构特点,使其在催化、吸附、分离、质子传导、磁性、光电材料等领域具有广阔的应用前景。当前,MOFs的研究热点已经不再局限于新颖结构的制备和表征,更多的研究倾向于探索它们的实际应用和构效关系。将MOFs材料制备成膜(Membrane)是目前MOFs应用化研究的热点之一,MOFs膜不仅具有分子筛膜相似的化学和热稳定性优点,而且可以克服分子筛孔道尺寸限制的不足,实现在超微孔尺度孔道中混合物质的传递和分离。本论文依据“分子晶体工程学”原理和聚合物表面化学方法,以金属-有机骨架化合物在聚合物膜表面二次生长为目的,主要研究聚合物膜表面功能化修饰、MOFs在膜表面的二次生长和结构变化,旨在探索以聚合物膜表面可控修饰为基础,开发MOFs在聚合物膜表面原位二次生长的新方法,并对其结构变化进行研究。全文研究内容包括：第一章前言。简单的介绍了MOFs材料的概念和特点,对当前MOFs薄膜材料的制备方法及其应用情况进行较为全面的文献调研和陈述。对MOFs材料在聚合物膜表面生长的研究进展,沸石咪唑酯骨架材料ZIF-8膜的研究进展等进行了综合陈述,介绍了本课题的选题目的和意义。第二章为了使ZIF-8能够牢固的在PVDF膜片上生长,可以用些特殊的基团对PVDF膜进行修饰。本论文尝试了两种不同的膜表面修饰方法：1)、以亲水化改性及固定有溴官能团的聚偏二氟乙烯(PVDF)微孔膜为基底,利用表面引发电子活化再生原子转移自由基聚合(Surface-initiated activators generated by electron transfer atom transfer radical polymerization, SI-AGET ATRP)法在PVDF膜表面接枝聚4-乙烯基毗啶。分别利用ATR-FTIR、XPS、SEM对制备的PVDF-g-P4VP膜表面进行表征。发现P4VP被成功的接枝到PVDF-Br膜表面,接枝量达到了0.82 mg/cm2。2)、在PVDF膜表面接枝小分子硅烷偶联剂,分别利用ATR-FTIR、SEM对接枝上硅烷偶联剂的膜(PVDF-NH2)表面进行表征。第三章为了促进ZIF-8在改性膜表面均匀生长,有必要在改性膜表面沉积一层ZIF-8晶种层。以六水合硝酸锌和2-甲基咪唑为原料,利用溶剂热的方法,制备沸石咪唑骨架材料ZIF-8晶体。采用X-射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)等手段对产物进行表征。发现ZIF-8的粉末XRD的实验值和理论值能很好地吻合,得到纯相的ZIF-8,通过SEM观察发现ZIF-8纳米颗粒均匀,平均粒径约为40 nm。我们选择减压抽滤的方法将ZIF-8晶种沉积到PVDF-g-P4VP改性膜表面,研究了配制已知浓度的晶种溶液和直接合成的晶种原料液对ZIF-8晶种在改性膜表面沉积均匀性的影响。此外,我们还研究了减压超滤和浸渍-提拉两种ZIF-8晶种沉积方法对ZIF-8晶种在PVDF-g-P4VP改性膜表面沉积情况的影响。通过SEM和XRD表征发现,晶种溶液的配制方法对ZIF-8品种在改性膜表面的分散程度及晶种的晶面结构有影响,而沉积方法仅对ZIF-8晶种的晶面结构有影响。第四章以上述晶种膜为基底,利用膜渗透辅助晶种法在PVDF改性膜表面进行ZIF-8原位生长。研究了改性膜两侧金属盐溶液和配体溶液的浓度、配体溶液的碱性、PVDF改性膜致密层的朝向、金属溶液和配体溶液的配比及不同方法修饰膜对ZIF-8在膜表面二次生长的影响。通过XRD和SEM表征发现：金属盐溶液和配体溶液的浓度低时,在PVDF改性膜表面得到的ZIF-8粒径小,平均约为100 nm,金属盐溶液和配体溶液的浓度高时,在PVDF改性膜表面得到的ZIF-8粒径大,平均约为5μm；当PVDF改性膜的致密层朝向金属盐时,配体侧溶液的碱性越强,在PVDF改性膜致密层越容易得到ZIF-8,而当PVDF改性膜的致密层朝向配体时,不论怎么改变条件都不可以在膜的致密层上得到ZIF-8；当PVDF改性膜的表面沉积上金属盐离子时,不论PVDF-g-P4VP致密层朝向金属盐溶液还是配体溶液,都可以在PVDF-g-P4VP致密层得到ZIF-8。
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【学位授予单位】：广西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ051.893

【参考文献】