金屬有機骨架及其復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、金屬有機骨架材料是由金屬離子或團簇和有機配體連接而成的一種新型的具有納米孔的三維骨架材料。與傳統(tǒng)的微孔材料相比，金屬有機骨架材料因具有豐富的拓撲結(jié)構(gòu)、高的孔隙率、大的比表面積、可控的孔尺寸、強的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等性質(zhì)，而使其在吸附、分離、化學(xué)傳感和催化等諸多領(lǐng)域都具有潛在的應(yīng)用價值。隨著水體污染、有毒氣體排放和溫室效應(yīng)等環(huán)境問題的日益嚴重，人們對環(huán)境治理和新能源的開發(fā)利用更加關(guān)注，因此有關(guān)金屬有機骨架材料在環(huán)境和新能源領(lǐng)域的應(yīng)用研究

2、就顯得更加的重要。為了探索金屬有機骨架材料在環(huán)境和能源領(lǐng)域的應(yīng)用，進一步提高其性能，本文主要從水體除鈾、氫能存儲和新能源器件三方面進行研究：
　　首先，本文采用溶劑熱法合成了有代表性的水穩(wěn)性較好的HKUST-1，采用XRD、SEM、TEM、FT-IR、TG等方法對其進行表征，并初步研究了HKUST-1對鈾酰的吸附性能。研究表明，HKUST-1吸附鈾酰離子的最佳條件是鈾溶液初始pH為6，吸附劑用量為0.03g。熱力學(xué)和動力學(xué)研究結(jié)果

3、表明，HKUST-1在不同溫度下吸附鈾酰的等溫線更符合 Langmuir模型，其相關(guān)系數(shù)均大于0.99。吸附過程是一個自發(fā)、吸熱的過程。HKUST-1對水體中鈾酰離子的吸附在2h左右達到平衡，準二級動力學(xué)方程對HKUST-1吸附鈾酰的動力學(xué)數(shù)據(jù)的擬和效果最佳。HKUST-1對鈾銑離子的吸附機制初步確定為物理吸附和化學(xué)吸附共同作用。在所選的脫附液中，Na2CO3的脫附效果最好。該研究證明了金屬有機骨架材料在鈾吸附領(lǐng)域潛在的應(yīng)用價值，為研究

4、其他金屬有機骨架材料在鈾吸附領(lǐng)域的應(yīng)用提供了研究基礎(chǔ)。
　　其次，本文采用溶劑熱法，在高的反應(yīng)液濃度和三乙胺輔助生長的條件下，合成了具有特殊孔結(jié)構(gòu)的MOF-5材料。經(jīng)XRD、SEM、TEM、N2吸脫附等方法對其進行表征，發(fā)現(xiàn)所合成的MOF-5材料同時具有互穿結(jié)構(gòu)和包含晶粒間介孔在內(nèi)的大量的介孔結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，所合成的MOF-5與文獻報道的MOF-5材料相比，其熱穩(wěn)定性和氫氣存儲能力都得到了提高，熱分解溫度為470℃，儲氫量達1

5、.86 wt％。另外，在此工作基礎(chǔ)之上，文中還將表面功能化的多壁碳納米管引入到所合成的MOF-5材料中，并研究了碳納米管的引入對所合成MOF-5結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究結(jié)果表明，碳納米管的植入可以進一步提高所合成MOF-5的熱穩(wěn)定性和氫氣存儲能力，同時還可以提高所合成MOF-5在空氣中的穩(wěn)定性。植入碳納米管后的MOF-5的熱分解溫度為495℃，儲氫量達2.02 wt%，可在相對濕度20%的空氣中穩(wěn)定存在6天。該研究對如何提高其他MOFs材

6、料的儲氫性能具有一定的指導(dǎo)意義。
　　最后，本文以銅網(wǎng)為載體，在銅網(wǎng)表面引入功能化碳納米管作為MOF-5的形核位，采用二次生長法在 MWCNTs/Copper net上成功制備了MOF-5膜。為了制備MOF-5/MWCNTs/Copper net復(fù)合膜，我們利用Bi2O3/MWCNTs/Cu這個結(jié)構(gòu)相對簡單且組裝機制相同的體系對制備工藝進行了探索，并提出了兩步自組裝工藝。經(jīng)XRD、SEM和光學(xué)顯微分析，所制得的復(fù)合膜結(jié)晶度高且膜層