高稳定的铪基金属—有机骨架材料设计合成及其气体吸附分离性能研究

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金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks,MOFs)是一类新型的纳微结构功能材料,因其具备高的比表面积、大的孔隙率、可调控的孔尺寸、种类多样等诸多优点,已经被应用在储气、分离、催化、传感器和药物控释等,成为当前新材料方面的研究热点。但目前大多数MOF材料稳定性较低,特别是不能在水体系等工业操作条件下保持稳定,这就成为阻碍MOF材料实现工业化的重要瓶颈。因此,本论文针对MOF材料的稳定性问题,采用溶剂热合成方法,设计合成了具有高稳定性能的基于铪的系列MOF材料,并研究了其气体吸附分离等性能,主要内容如下:1、通过高温高浓度的溶剂热制备法,制备了一种具有结晶度很高的金属-有机骨架材料UiO-66(Hf),同时发现其具有超强的化学和热稳定性。为了进一步提高这类材料对气体的吸附分离性能,我们以UiO-66(Hf)作母体材料,选用三种带有不同官能团的配体,设计合成了一系列孔道表面化学性质不同的基于铪的新型MOF材料,并用XRD、TGA、N,吸附、SEM等对材料进行了表征。2、考虑到采用延长配体的方法可以实现材料孔尺寸的调控,本工作通过使用长度不同的配体,设计合成了系列孔尺寸不同的铪MOF材料,并系统研究了材料的化学和热稳定性,发现除材料Hf-BPDC之外,Hf-FUM与UiO-66(Hf)能在水中稳定存在,表明随着配体长度的增加,材料的化学稳定性会降低。3、为了进一步研究孔尺寸对MOF材料气体吸附分离性能的影响,本工作以一系列同构的Hf-MOF材料为平台,测定了CO2、N2、CH4三种气体在具有不同孔尺寸MOF材料中的吸附等温线。结果表明具备最小孔尺寸的Hf-FUM有最好的分离性能,这为以后设计合成能用于工业体系分离的纳微结构功能材料提供了理论依据。
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