MOF及其衍生材料的合成及环境应用研究

发布时间：2020-06-05 13:51

【摘要】：随着全球科技化进程的加剧,各个领域对于新材料的需求都展现出与日俱增的态势。金属有机骨架材料(Metal-Organic Framework,MOF)作为一类新颖的有机-无机杂化材料,因其拓扑多样性,功能可调性,多孔性及容易制备等特点备受研究者青睐。近年来,MOF材料在诸如能源、环境、传感、医学等领域均展现出极大的应用潜力。而鉴于环境污染一直以来都是人类所面临的共同问题和挑战,本文的研究工作主要围绕MOF材料的环境应用展开。MOF材料在环境领域的应用主要包括污染物的吸附与检测。当作为吸附剂使用时,尽管已有研究均表明MOF材料具有很大的潜力,但是这类材料目前还存在成本偏高,吸附容量有限的问题;当用于污染物检测时,由于检测形式多样,MOF材料还有很大的发展空间。基于这些考虑,本文围绕MOF材料的制备及环境应用开展了以下工作:(1)在不增加材料制备成本的前提下探索改善MOF吸附容量的新方法。即以ZnO、ZrCl4、2,2'-联吡啶-5,5'-二羧酸为原料,通过溶剂热法制备了凝胶状的ZnO/Zr-MOF(bpy)纳米复合材料。基于其胶体特性,ZnO/Zr-MOF(bpy)的质构性能得到显著改善,因此,与非凝胶态的Zr-MOF(bpy)相比,ZnO/Zr-MOF(bpy)具有更大的吸附容量,更适合作为吸附剂材料使用。在本研究中该复合材料可用于染料废水处理,对阳离子染料罗丹明B(RhB)展现出极佳的吸附能力,并且在吸附条件下展现出良好的结构稳定性。(2)通过材料形貌与结构的控制进一步改善以MOF材料为模板得到的金属氧化物半导体材料的气敏性能。即以MOF材料为模板通过煅烧制备了 n-型ZnO半导体,考察了该ZnO结构对于痕量丙酮(3ppm)的检测。研究表明,所制备的ZnO是一种由原生纳米颗粒组装而成的分级立方体结构,这一结构特征赋予材料更多的表面活性位点,且有利于气体分子的驻留,因此该材料在痕量丙酮检测方面表现优越。通过进一步的掺金优化,得到的Au/ZnO复合材料能够在更低的温度下使用,且对丙酮的响应能力大大提升,其对3 ppm丙酮的响应值Ra/Rg高达144,是单一 ZnO的～5倍,这在已有研究的基础上取得了重大突破。(3)以MOF材料为模板通过煅烧制备了 p-型Co304半导体,考察了该材料的VOCs(Volatile Organic Compounds)传感特性。在本研究中,通过MOF煅烧得到的C03O4在维持MOF模板立方体形貌的基础上获得了有利于气体吸附与扩散的介孔结构。VOCs传感的结果表明,该Co304结构对丙酮具有较高的传感响应,在10 ppm丙酮浓度下响应值Rg/Ra达到了 12,优于大多数已报道的Co304材料。此外通过合成后的吸附热解过程,Au纳米粒子被成功引入Co3O4结构中,得到的Au/Co3O4复合材料因为金属-半导体异质结的形成以及Au纳米粒子的电子及化学敏化作用,对丙酮的传感能力得以进一步提升。
【图文】：

示意图,结构示意图,金属有机,骨架材料

囼邋＝逡逑灥媝逡逑金骨架ＭＯＦ逡逑图１．１金属有机骨架材料ＭＯＦ的组装示意图逡逑１．２金属有机骨架材料（ＭＯＦ）逡逑１．２．１逦ＭＯＦ材料的发展逡逑金属有机骨架材料，也称之为多孔配位聚合物材料，最早由美国的Ｏ．Ｍ．Ｙａｇｈｉ团队逡逑于１９９５年提出［２２］。在这之后，ＭＯＦ材料的发展大致可以分为两大分支，即基于新结构逡逑合成的研究与拓展ＭＯＦ材料新应用的探索。在新结构合成方面，依据所采用的策略以逡逑及前驱物的不同，ＭＯＦ材料主要被归为以下几个系列：逡逑（丨）在具有代表性的ＭＯＦ材料ＭＯＦ－５邋（ＩＲＭ０Ｆ－１）的基础上通过对有机配体对苯二逡逑甲酸进行延长或官能团的修饰，Ｙａｇｈｉ团队构筑了一系列与ＭＯＦ－５拥有相同拓扑结构的逡逑孔径可调的ＭＯＦ结构，即著名的ＩＲ－ＭＯＦ系列（Ｉｓｏｒｅｔｉｃｕｌａｒ－ＭＯＦ），如图１．２所示［２３］。通逡逑过延长二羧酸配体的长度，能有效地将材料的孔径由Ｍ０Ｆ－５的微孔逐步拓展到介孔，逡逑且材料的孔隙率也大大提升。逡逑＿＿：＿擫逡逑图１．２邋ＩＲＭＯＦ－１？１６的结构示意图逡逑２逡逑

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（丨）在具有代表性的ＭＯＦ材料ＭＯＦ－５邋（ＩＲＭ０Ｆ－１）的基础上通过对有机配体对苯二逡逑甲酸进行延长或官能团的修饰，，Ｙａｇｈｉ团队构筑了一系列与ＭＯＦ－５拥有相同拓扑结构的逡逑孔径可调的ＭＯＦ结构，即著名的ＩＲ－ＭＯＦ系列（Ｉｓｏｒｅｔｉｃｕｌａｒ－ＭＯＦ），如图１．２所示［２３］。通逡逑过延长二羧酸配体的长度，能有效地将材料的孔径由Ｍ０Ｆ－５的微孔逐步拓展到介孔，逡逑且材料的孔隙率也大大提升。逡逑＿＿：＿擫逡逑图１．２邋ＩＲＭＯＦ－１？１６的结构示意图逡逑２逡逑
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB34;X703

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