超微孔多孔有机骨架材料的合成及其在气体分离和存储方面的应用

发布时间：2020-07-12 11:51

【摘要】：多孔有机骨架材料因具备高比表面积、低骨架密度和优异的吸附能力,而备受科学研究人员的广泛关注。目前,多孔有机骨架材料广泛应用于催化、气体分离、气体存储、光电器件和生物医学领域。因为广泛应用于我们的日常生活,氙气的分离和纯化特别重要,本论文以稀有气体中的氪气氙气分离为目标,根据氙气分子直径4.10?,氪气分子3.69?,设计合成CTF-0、PAF-45、PAF-67和COF-0四种具有超微孔结构的多孔有机骨架材料。本论文对这四种材料进行一系列的组成、结构和性质表征,包括:元素分析、热重分析、红外光谱、X-射线粉末衍射、氮气吸附等,确定其结构和性质。通过测试和计算,CTF-0、PAF-45和PAF-67多孔有机骨架材料孔径约为5.0?,计算得到比表面积为528.4 m~2 g~(-1)到951.4 m~2 g~(-1),微孔孔容为0.158 cm~3 g~(-1)到0.286 cm~3 g~(-1),热稳定温度为350℃到600℃。吸附数据显示,三个材料均具有很好的氙气吸附能力(18.6-49.6 cm~3 g~(-1),1.0 bar,298 K)。IAST计算指出三者在Xe/Kr摩尔比9:1、一个大气压、298 K下,将氙气从混合气中分离出来的预测分离指数为44-57。PAF-45作为最优材料,进行了气相色谱柱分离测试,进气为模拟核废气(氙气氪气氮气混合气),展现很高的Xe/Kr分离指数(S=12.4±0.7)和巨大的Xe捕获容量(90.3±2.1 mmol kg~(-1))。探索出适合于Xe/Kr分离的多孔材料具有一定的理论和实际意义。氢气作为高热值的清洁能源,密度低、易爆炸,其存储一直备受关注。本论文采用常压吸附仪器进行低温(77 K)氢气吸附,CTF-0展现出很好的氢气吸附存储能力(102cm~3 g~(-1))。而且CTF-0合成成本低廉、质轻、稳定性高,对氢气的存储应用具有一定的实际意义。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O641.4;TQ116.2
【图文】：

图 1.1 分子筛的形成过程2014 年，科研工作者们利用铝同晶型取代硼，从而打破氢键，剥离 MWW 型沸石分子筛得到单层膜[10]。如下图 1.2 所示，最后得到厚度为 2.5 nm 的单层 MWW 结构的沸石分子筛膜。首先剥离沸石前体：1.0 g 前体加到 100 g 0.4 mol/l 的硝酸铝溶液中，大力搅拌，135 ℃恒温加热，过滤，水洗，自然干燥，550 ℃煅烧5 h。然后剥离ERB-1-del-135：0.25 g 加到 2.0 ml 1.0 mol/l 硝酸溶液中，大力搅拌，加热并保持 135 ℃，过滤收集，水

2图 1.2 （a）MWW 型沸石分子筛 ERB-1-del-135 剥层的原理图；ERB-1-del-135 的透射电镜照片（b），单层膜（c）四层膜[10]1.1.2 金属有机骨架材料分子筛在电磁和催化等领域存在很大局限，为了更好的研究多孔材料，科研人员将金属和有机单元进行杂化，得到金属有机骨架材料（metal organic frameworks, MOFs）[11]。如下图 1.3 所示，MOFs 是由金属离子和有机配体通过配位键相连形成次级结构单元，次级结构单元由刚性连接为疏松多孔的结构，这种结构既可以增加多孔材料的性能，

图 1.3 金属有机骨架材料的形成过程2014 年，科研工作者们通过利用球磨和超声的方法，以氧化铝为基底，成功制备1.12 nm 厚度的 Zn2(bim)4纳米片单层膜。制备过程如下图 1.4 所示，将前体 ZIF-7 水热处理，由此打开六元环的配位键，然后将得到的前驱体用注射器滴在硅片上，室温干燥，最后得到 MOF 单层膜[14]。

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本文编号：2751914