MOFs衍生碳基材料的可控制备及其催化性能
发布时间：2022-01-21 20:59
金属有机骨架材料（MOFs）衍生的多孔碳基材料具有高比表面、高孔隙率、高导电性、高稳定性、抗腐蚀性、结构功能可调等特点,已成为当前异相催化领域中的研究热点之一。本论文系统地研究了多种MOFs衍生多孔碳基材料的可控制备方法及其对不同反应的催化性能;通过对照实验的理性设计、系统的结构表征及理论计算模拟等手段,初步揭示了 MOFs衍生多孔碳基材料中催化活性位点的本质,并探究了系列催化材料的构效关系:（1）通过可控热解锌钴双金属类普鲁士蓝复合物,制备得到金属钴内嵌的多孔氮掺杂碳亚微米球。所得催化剂在对硝基苯酚还原反应中表现出比某些贵金属基催化剂更好的催化活性。通过一系列对照实验和表征结果明确了催化剂中的活性位归属:一类是被含缺陷或裂缝碳层非密实包覆的金属钴,另一类是被致密碳层完全包覆的金属钴。这项工作为理解负载金属的碳基催化剂的活性位的本质提供了重要的补充。（2）利用沸石咪唑酯骨架材料（ZIFs）的高孔隙率和金属节点的周期性分布等特点,通过可控热解钌（Ru）掺杂的ZIF-8前驱体制备了原子级钌位点内嵌氮掺杂多孔碳并用于电化学析氢反应。所得催化剂表现出优于商业化Pt/C的活性和稳定性。毒化/恢复...
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：153 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１?ＭＯＦｓ的结构和组成示意图ｍ??
?ＭＯＦｓ衍生碳基材料的可控制备及其催化性能???（ＭＯＦｓ，如图１－１所示）已被证明是制备各种碳基材料的理想牺牲模板［｜９＿２１］。??从组成和结构上看，这些ＭＯＦｓ衍生的碳基材料可以分为无掺杂多孔碳、杂??原子掺杂多孔碳和金属／氧化物－碳复合物等（如图１－２所示）。作为硬软模板??法的替代方法，这种新颖的ＭＯＦｓ模板制备的碳基纳米材料具有许多优势，??比如高比表面积、孔隙可调和易于同其它杂原子或金属／氧化物功能化等［２２，２３］。??由于这些优势，现在越来越多的报道通过选取合适的ＭＯＦｓ模板、热解气氛??和温度，引入额外的前驱体，以及合成后进一步功能化等手段来制备各类??ＭＯＦｓ衍生碳基纳米材料并应用于能源和环境领域ｔ２４＿２＇包括电池（锂离子??［２８＿３＼锂硫［３１＿３４１和锂空气电池１３５，３６１）、超级电容器［３Ｗ９ｋ气体吸附和分离ｔ４（Ｍ４】??等。另一方面，ＭＯＦｓ模板法可通过改变ＭＯＦｓ前驱体的结构特点和热解条??件，合成出具有均一和可调颗粒尺寸、高度精细结构特点的金属纳米颗粒、??金属氧化物纳米结构或二者的复合物［４５，４６］。它们通常高度分散在或内嵌于配??体衍生碳基质中以形成高活性位点密度的非贵金属催化剂。同时，具有高比??表面积、独特电和热性质、可控多级结构、掺杂性质可调的多孔碳也能通过??这种简单方法得到。基于这些独特的性质，ＭＯＦｓ衍生碳材料己展示出作为??催化剂或催化剂载体用于异相催化的巨大潜力。甚至，一些多维结构或合适??功能化的ＭＯＦｓ衍生碳基纳米材料在许多重要反应中显示出和贵金属基催化??剂可比拟的或更加优越的催化性能，同时降低了成本且增强了稳定性［４７］。这??表明ＭＯＦ
?ＭＯＦｓ衍生碳基材料的可控制备及其催化性能???ＭＯＦ－５?ｆｒａｍｅｗｏｒｋ?＾?ｐｏｌｙｍｅｒｉ／ａｔｉｏｎ｜??ｐｏｒｏｕｓ?ｃａｒｂｏｎ??图２－１?ＭＯＦ－５和二次联源呋喃甲酵衍生多孔碳的示意图??如图２－１所示，徐强课题组在２００８年首次报道以Ｍ０Ｆ－５为自牺牲模板??制备无杂原子掺杂的多孔碳材料１５３］。采用蒸汽相方法，他们将呋喃甲醛（ＦＡ）??成功渗透到ＭＯＦ－５的孔道中。随后在１０００?°Ｃ和氩气气氛的热解过程中，二??次碳源呋喃甲醛在孔中聚合，同时伴随着碳热反应还原出的Ｚｎ组分的挥发，??最终得到高比表面积（２８７２ｍ２ｇ－１）的纳米孔碳。该纳米孔碳表现出良好的储??氢能力；当用作电化学双电层电容器（ＥＤＬＣ）电极材料｜５４］时，展示出良好的??电化学性能。如图２－２所示，为了进一步提高储氢能力，ＣｈｏｎｇＲａｅＰａｒｋ等人??在不使用呋喃甲醇作为二次碳源的情况下，在９００?°Ｃ和氮气下直接热解??ＭＯＦ－５制备得到了具有高度超微孔、高比表面积、高总孔体积的多级多孔碳??［５５］。由于其异常高度的孔隙率，直接使用ＭＯＦ－５衍生的多级多孔碳表现出可??逆的储氢能力，超过之前报道的ＭＯＦｓ和多孔碳。??图２－２直接热解ＭＯＦ－５制备多级孔碳的示意图—??随后，Ｙｕｓｕｋｅ?Ｙａｍａｕｃｈｉ?和?Ｓｕｓｕｍｕ?Ｋｉｔａｇａｗａ?等人米用?Ａ１?基?ＭＯＦｓ?和渗??入孔道的呋喃甲醛为前驱体在１０００?°Ｃ和惰性气体中碳化制备得到纤维状的??－４－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Efficient photocatalysis triggered by thin carbon layers coating on photocatalysts: recent progress and future perspectives[J]. Yu-Long Men,Peng Liu,Xingcui Peng,Yun-Xiang Pan. Science China（Chemistry）. 2020(10)
[2]金属有机骨架衍生磁性多孔碳吸附刚果红研究[J]. 彭琳,龚小波,谢春雨,吴莉莉,杨照,刘咏. 水处理技术. 2019(04)
[3]稀土-对苯二甲酸金属有机骨架材料对刚果红的高效吸附[J]. 付秋平,王洋,田茂文,郭燕菊,刘芳,刘渊. 化学试剂. 2019(05)
[4]合成前氨基改性Mg-MOF-74吸附分离CO2性能研究[J]. 杨家佳,丁玉栋,廖强,朱恂,刘骐玮. 工程热物理学报. 2019(02)
[5]金属-有机骨架及其功能材料在食品和水有害物质预处理中的应用[J]. 白蕾,王艳凤,霍淑慧,卢小泉. 化学进展. 2019(01)
[6]金属有机骨架化合物的二氧化碳吸附性能的研究进展[J]. 孙增智,薛程,宋莉芳,邱树君,褚海亮,夏永鹏,孙立贤. 材料导报. 2019(03)
[7]金属有机骨架材料在传感器中的应用[J]. 钱文浩,李富盛,黄玮,丛玉凤. 化学通报. 2019(02)
[8]金属有机骨架材料在放射性核素去除中的研究[J]. 王祥学,于淑君,王祥科. 无机材料学报. 2019(01)
[9]多级孔金属有机骨架材料的合成及应用研究进展[J]. 张建民,白明鑫,张继,李红玑. 化工新型材料. 2019(01)
[10]金属有机骨架衍生的碳化铁/碳制备及其电化学性能[J]. 陈修栋,柏任流,文志刚. 无机盐工业. 2019(01)
博士论文
[1]Co和Fe基MOFs及其衍生物的制备与电催化性能研究[D]. 鲁海胜.中国科学技术大学 2018
[2]MOFs衍生碳基材料的制备及性能研究[D]. 潘莹.吉林大学 2018
[3]金属有机框架衍生的复合电催化剂的制备及分解水性能研究[D]. 李晓.东北师范大学 2018
[4]MOFs及其衍生物的制备与电催化性能研究[D]. 赵慎龙.哈尔滨工业大学 2017
[5]多酸调控法构筑金属—有机骨架空心纳米结构[D]. 徐晓斌.清华大学 2017
[6]金属有机骨架化合物衍生结构锂二次电池电极材料[D]. 李朝强.山东大学 2016
[7]ZIF-67衍生纳米材料的制备及其催化性能研究[D]. 王曦.华南理工大学 2016
[8]基于金属—有机骨架纳米复合材料的设计、合成与催化性能研究[D]. 陈玉贞.中国科学技术大学 2016
硕士论文
[1]ZIF-9金属有机骨架材料衍生多孔碳材料的制备及其在锂硫电池中的应用[D]. 刘盼盼.太原理工大学 2018
[2]铝基MOF制备多孔碳及其电化学性能的研究[D]. 郭士成.北京化工大学 2018
[3]MOFs衍生纳米催化剂的合成及其电解水性能的研究[D]. 王翔.兰州大学 2018
[4]MOFs衍生金属纳米粒子和氮掺杂多孔碳的制备与应用[D]. 陈明怡.吉林大学 2017
本文编号：3600951
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：153 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１?ＭＯＦｓ的结构和组成示意图ｍ??
?ＭＯＦｓ衍生碳基材料的可控制备及其催化性能???（ＭＯＦｓ，如图１－１所示）已被证明是制备各种碳基材料的理想牺牲模板［｜９＿２１］。??从组成和结构上看，这些ＭＯＦｓ衍生的碳基材料可以分为无掺杂多孔碳、杂??原子掺杂多孔碳和金属／氧化物－碳复合物等（如图１－２所示）。作为硬软模板??法的替代方法，这种新颖的ＭＯＦｓ模板制备的碳基纳米材料具有许多优势，??比如高比表面积、孔隙可调和易于同其它杂原子或金属／氧化物功能化等［２２，２３］。??由于这些优势，现在越来越多的报道通过选取合适的ＭＯＦｓ模板、热解气氛??和温度，引入额外的前驱体，以及合成后进一步功能化等手段来制备各类??ＭＯＦｓ衍生碳基纳米材料并应用于能源和环境领域ｔ２４＿２＇包括电池（锂离子??［２８＿３＼锂硫［３１＿３４１和锂空气电池１３５，３６１）、超级电容器［３Ｗ９ｋ气体吸附和分离ｔ４（Ｍ４】??等。另一方面，ＭＯＦｓ模板法可通过改变ＭＯＦｓ前驱体的结构特点和热解条??件，合成出具有均一和可调颗粒尺寸、高度精细结构特点的金属纳米颗粒、??金属氧化物纳米结构或二者的复合物［４５，４６］。它们通常高度分散在或内嵌于配??体衍生碳基质中以形成高活性位点密度的非贵金属催化剂。同时，具有高比??表面积、独特电和热性质、可控多级结构、掺杂性质可调的多孔碳也能通过??这种简单方法得到。基于这些独特的性质，ＭＯＦｓ衍生碳材料己展示出作为??催化剂或催化剂载体用于异相催化的巨大潜力。甚至，一些多维结构或合适??功能化的ＭＯＦｓ衍生碳基纳米材料在许多重要反应中显示出和贵金属基催化??剂可比拟的或更加优越的催化性能，同时降低了成本且增强了稳定性［４７］。这??表明ＭＯＦ
?ＭＯＦｓ衍生碳基材料的可控制备及其催化性能???ＭＯＦ－５?ｆｒａｍｅｗｏｒｋ?＾?ｐｏｌｙｍｅｒｉ／ａｔｉｏｎ｜??ｐｏｒｏｕｓ?ｃａｒｂｏｎ??图２－１?ＭＯＦ－５和二次联源呋喃甲酵衍生多孔碳的示意图??如图２－１所示，徐强课题组在２００８年首次报道以Ｍ０Ｆ－５为自牺牲模板??制备无杂原子掺杂的多孔碳材料１５３］。采用蒸汽相方法，他们将呋喃甲醛（ＦＡ）??成功渗透到ＭＯＦ－５的孔道中。随后在１０００?°Ｃ和氩气气氛的热解过程中，二??次碳源呋喃甲醛在孔中聚合，同时伴随着碳热反应还原出的Ｚｎ组分的挥发，??最终得到高比表面积（２８７２ｍ２ｇ－１）的纳米孔碳。该纳米孔碳表现出良好的储??氢能力；当用作电化学双电层电容器（ＥＤＬＣ）电极材料｜５４］时，展示出良好的??电化学性能。如图２－２所示，为了进一步提高储氢能力，ＣｈｏｎｇＲａｅＰａｒｋ等人??在不使用呋喃甲醇作为二次碳源的情况下，在９００?°Ｃ和氮气下直接热解??ＭＯＦ－５制备得到了具有高度超微孔、高比表面积、高总孔体积的多级多孔碳??［５５］。由于其异常高度的孔隙率，直接使用ＭＯＦ－５衍生的多级多孔碳表现出可??逆的储氢能力，超过之前报道的ＭＯＦｓ和多孔碳。??图２－２直接热解ＭＯＦ－５制备多级孔碳的示意图—??随后，Ｙｕｓｕｋｅ?Ｙａｍａｕｃｈｉ?和?Ｓｕｓｕｍｕ?Ｋｉｔａｇａｗａ?等人米用?Ａ１?基?ＭＯＦｓ?和渗??入孔道的呋喃甲醛为前驱体在１０００?°Ｃ和惰性气体中碳化制备得到纤维状的??－４－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Efficient photocatalysis triggered by thin carbon layers coating on photocatalysts: recent progress and future perspectives[J]. Yu-Long Men,Peng Liu,Xingcui Peng,Yun-Xiang Pan. Science China（Chemistry）. 2020(10)
[2]金属有机骨架衍生磁性多孔碳吸附刚果红研究[J]. 彭琳,龚小波,谢春雨,吴莉莉,杨照,刘咏. 水处理技术. 2019(04)
[3]稀土-对苯二甲酸金属有机骨架材料对刚果红的高效吸附[J]. 付秋平,王洋,田茂文,郭燕菊,刘芳,刘渊. 化学试剂. 2019(05)
[4]合成前氨基改性Mg-MOF-74吸附分离CO2性能研究[J]. 杨家佳,丁玉栋,廖强,朱恂,刘骐玮. 工程热物理学报. 2019(02)
[5]金属-有机骨架及其功能材料在食品和水有害物质预处理中的应用[J]. 白蕾,王艳凤,霍淑慧,卢小泉. 化学进展. 2019(01)
[6]金属有机骨架化合物的二氧化碳吸附性能的研究进展[J]. 孙增智,薛程,宋莉芳,邱树君,褚海亮,夏永鹏,孙立贤. 材料导报. 2019(03)
[7]金属有机骨架材料在传感器中的应用[J]. 钱文浩,李富盛,黄玮,丛玉凤. 化学通报. 2019(02)
[8]金属有机骨架材料在放射性核素去除中的研究[J]. 王祥学,于淑君,王祥科. 无机材料学报. 2019(01)
[9]多级孔金属有机骨架材料的合成及应用研究进展[J]. 张建民,白明鑫,张继,李红玑. 化工新型材料. 2019(01)
[10]金属有机骨架衍生的碳化铁/碳制备及其电化学性能[J]. 陈修栋,柏任流,文志刚. 无机盐工业. 2019(01)
博士论文
[1]Co和Fe基MOFs及其衍生物的制备与电催化性能研究[D]. 鲁海胜.中国科学技术大学 2018
[2]MOFs衍生碳基材料的制备及性能研究[D]. 潘莹.吉林大学 2018
[3]金属有机框架衍生的复合电催化剂的制备及分解水性能研究[D]. 李晓.东北师范大学 2018
[4]MOFs及其衍生物的制备与电催化性能研究[D]. 赵慎龙.哈尔滨工业大学 2017
[5]多酸调控法构筑金属—有机骨架空心纳米结构[D]. 徐晓斌.清华大学 2017
[6]金属有机骨架化合物衍生结构锂二次电池电极材料[D]. 李朝强.山东大学 2016
[7]ZIF-67衍生纳米材料的制备及其催化性能研究[D]. 王曦.华南理工大学 2016
[8]基于金属—有机骨架纳米复合材料的设计、合成与催化性能研究[D]. 陈玉贞.中国科学技术大学 2016
硕士论文
[1]ZIF-9金属有机骨架材料衍生多孔碳材料的制备及其在锂硫电池中的应用[D]. 刘盼盼.太原理工大学 2018
[2]铝基MOF制备多孔碳及其电化学性能的研究[D]. 郭士成.北京化工大学 2018
[3]MOFs衍生纳米催化剂的合成及其电解水性能的研究[D]. 王翔.兰州大学 2018
[4]MOFs衍生金属纳米粒子和氮掺杂多孔碳的制备与应用[D]. 陈明怡.吉林大学 2017
本文编号：3600951
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/3600951.html
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