UiO-66-NH2的制备及其染料吸附性能研究

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金属-有机框架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)具有周期性孔结构、大的比表面积和孔道性质可调性等特点,在气体吸附存储、催化、污染处理等方面有广泛应用。尤其在污水处理方面(例如染料吸附、有机污染物降解、重金属离子吸附等),MOFs是一种极为有潜力的污水处理材料。UiO-66-NH2是一种锆类MOFs,由于其特殊的金属中心与有机配体间的强的连接键,UiO-66-NH2具有优异的热稳定性以及化学稳定性,在污染物处理领域有潜在的应用价值。本文主要通过不同的方法调控UiO-66-NH2的结构与性能,以调控UiO-66-NH2材料的吸附活性。具体工作如下:一、通过使用异硬脂酸改性UiO-66-NH2引入疏水烷基链,制备疏水MOFs材料(UiO-66-NHCOR),降低MOFs对水的吸附而提高对染料的吸附容量。通过各种表征手段对MOFs材料疏水改性前后的结构进行研究。异硬脂酸改性使得MOFs材料具有极为优异的疏水性,对水的接触角由改性前的32°提高到改性后的158°,且对材料的晶体结构、微观形貌以及热稳定性无较大影响。这种疏水UiO-66-NHCOR可以实现对罗丹明6G的快速吸附和高吸附量,吸附10 min即可达到吸附平衡,吸附容量高达478 mg·g-1,与未改性的MOFs相比提高了1.97倍。二、利用原位界面生长法制备UiO-66-NH2与碳纳米管(CNTs)的复合材料CNTs@UiO-66-NH2,并通过简单物理混合法与化学键接法制备了相同的复合材料,比较了三种制备方法对复合材料结构及性能的影响。两种多孔材料的复合使得到的复合材料具有更多的活性位点,具有更为优异的吸附性能。CNTs的引入能够提高UiO-66-NH2的热稳定性能。相比另外两种方法制备的复合材料,通过界面生长法合成的CNTs@UiO-66-NH2具有更大的比表面积,MOFs在复合材料中的分散性更好。研究了复合材料对甲基橙的吸附性能,CNTs@UiO-66-NH2的吸附容量为392 mg·g-1,是UiO-66-NH2的2.8倍,CNTs-CONH-UiO-66的1.77倍,CNTs/UiO-66-NH2的3.01倍。该复合材料不仅具有较高的甲基橙吸附容量,而且能够选择性吸附甲基橙/亚甲基蓝混合溶液中的甲基橙。且循环实验证明,五次循环使用后复合材料仍具有85%的吸附容量。三、通过调节合成MOFs的反应条件合成了一系列具有不同形貌和不同缺陷含量的UiO-66-NH2。通过系列表征手段对材料进行结构及性能表征。结果表明,随着PVP添加量的提高,Ui O-66-NH2材料缺陷含量随之升高,结晶性变差。随着材料由片状转变为空心球形颗粒最终转变为实心球形颗粒,缺陷含量逐渐降低,结晶性能逐渐提高,比表面积增大,晶体结构趋于完善。以酸性铬蓝K为目标染料分子,具有空心结构的UiO-66-NH2具有最高的吸附容量,吸附容量为271.8 mg·g-1,是实心球形UiO-66-NH2的2.66倍。这种优异的吸附能力主要归因于缺陷带来的增加的活性位点和相对较大的比表面积。
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