基于MOF材料的三维有序超结构氯代气体蒸汽传感研究

发布时间：2020-04-14 17:21

【摘要】：四氯化碳是氯代气体中的典型代表有害气体之一,更是挥发性有机化合物(VOC)中的典型代表,在大气污染日渐严重的背景下,对于此类气体的蒸汽传感研究有着极大的环境与经济意义。金属有机骨架材料(Metal Organic Frameworks,MOFs)由于其结构的特点,其对于这类气体的吸附已经得到了广泛的研究,同时也有课题组开展了对于其的传感研究,而胶体晶体材料更是由于自身光子禁带的存在在传感领域中得到了广泛的关注。结合两种材料自身优越的性能,开发出一种新型的复合材料用于对氯代气体的蒸汽传感研究有着极大的科研意义。沸石咪唑酯骨架多孔材料(Zeollitic Imidazolate Frameworks,ZIFs)是 MOFs 材料中一类有着更好热稳定性的典型材料。聚苯乙烯小球则是光子晶体材料中在传感方面已经得到广泛研究的一种胶体粒子。选取这两种材料作为核心,开展四氯化碳蒸汽传感研究有望开发出一套更高效简便的四氯化碳蒸汽浓度检测系统。本文中首先通过使用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)调控ZIF-8晶体的形貌与尺寸大小,制备得到具有固定形貌的ZIF-8晶体,并通过垂直沉积法制备得到具有固定形貌的ZIF-8三维有序超结构(FT-ZIF-8);同时使用聚苯乙烯小球作为模板制备得到表面包覆ZIF-8的聚苯乙烯小球三维有序结构(PS@ZIF-8);并采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对两种材料进行了表征。制备的两种结构都继承了 MOFs材料优越的吸附性能以及胶体晶体材料的光学性能,对这两种材料之于四氯化碳的传感性能进行了研究。实验结果表明两种材料对四氯化碳都有着极好的选择性,同时响应时间短(2s),稳定性与可重复性强,四氯化碳蒸汽浓度与检测到的光学信号表现出了极好的线性关系,能够实现对以四氯化碳为代表的氯代气体进行实时的蒸汽浓度监控。最后结合实验结果与相关资料开发了一套能够实现上述功能的氯代气体蒸汽传感监控系统,系统搭建简便成本低廉有望于大规模的生产应用。
【图文】：

即气体与液体，液体和液体的分界面因为表明张力的影响而制备出所需要的结构。逡逑研究明白，液一液界面组装法能够制备得到大面积的胶体晶体，一般用于工业生逡逑产。而气一液界面自组装多用于实验室环境，如图１－２所示。在实验过程中，选用逡逑水一醇混合分散液，由于其较高的表面张力，将导致相应的微粒在界面之间快速逡逑铺展开来，形成规则的六方密堆积胶体晶体。产生这一现象的原因是因为两种溶逡逑液之间表面张力的不同而存在的张力梯度将引发马拉高尼效应，从将使胶体微粒逡逑在其中不断的聚集在一处，自发的组装形成相应的结构。为了获得更好的效果，逡逑在实验过程中，当其完成组装后可以向溶液当中加入一定量的表面活性剂。Ｒｓｈｅｒ逡逑课题组将玻璃基板放入食人鱼溶液中处理一定时间后使其成为亲水性基板，然后逡逑将之后配好的胶体微粒分散液滴加在其上，能够滴入的分散液将向四周水面上扩逡逑展

Ｌａｖｏｉｓｉｅｒ）逦铝、铬等金属和对苯二甲酸，合成三甲酸。ＭＩＬ－５３逡逑（如图１－７和图１－８）逡逑在ＰＣＮ系列材料中，ＰＣＮ－６＇和逡逑ＰＣＮ＾逦Ｍ0Ｆ：ＨＴＢ，毫无疑问是其中的典型修逡逑简而言之，通过自组装法将金属铜禺子与逦ＰＣＮＷ逡逑（Ｐ0ｒ0ＵＳ逦Ｈｋｚｈｏｕ逦有机配体Ｈ３ＴＡＴＢ以及ＨＴＢ结合而形成ＭＯＦ－ＨＴＢ逡逑ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ逦的材料。ＰＣＮｓ系列材料具有孔笼－孔道结逦＇逡逑ｎｅｔＷ0ｒｋ）逦构，使得ＰＣＮｓ系列材料具有优良的吸附逡逑性能。（如图１－９）逡逑ＵｉＯ－６６是ＵｉＯ系列材料的典型代表，逡逑ＵｉＯ［４８］逦由金属锆离子与１２个对苯二甲酸有机配逡逑（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ邋Ｌｉｌｌｅｒｕｄ邋体相连，此种材料的优点是：它可由中心逦ＵｉＯ－６６逡逑ｏｆ邋Ｏｓｌｏ）逦孔笼结构八面的三维微孔结构和多个八逡逑逦个四面体角笼组成。（如图１－１０）逦逡逑栥露kx＿逡逑图１－４晶体结构中的ｎ可以为１－８，１０，１２，１４，，１６即－ＩＲＭＯＦ－ｎ邋（ＺＮ为蓝色四面体，氧原子逡逑为红色球，碳原子为红色球，溴为绿色球，黄色大球代表孔自由体积大小，氢原子并没有显示逡逑在图中）逡逑１５逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X51;O641.4

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本文编号：2627524