联苯酚金属有机框架的设计组装与催化性能研究

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金属-有机框架材料(MOFs)作为一种新兴多孔材料,具有特定的孔洞结构、高的热力学及化学稳定性,易于回收利用,其在气体存储与分离、非均相催化,燃料电池,超级电容器等方面表现了很好的应用前景。本论文以具有C2对称性的联苯酚小分子为骨架单元,设计合成出一种四羧酸联苯配体,通过与金属锆离子、铁离子组装,成功构筑得到两种结构新颖的Zr-MOF和Fe-MOF材料。随后通过单晶X-射线衍射、红外、粉末X-射线衍射、热重分析等手段对两种MOFs的结构及稳定性进行表征。最后研究了两种MOFs材料在二氧化碳环加成环氧化合物反应中的催化性能。本论文共分为以下三章:第一章,首先介绍了MOFs的发展历史,总结并概括了五种MOFs的常见合成方法,简述了MOFs材料在气体存储与分离、非均相催化、质子传导、手性荧光传感等领域中的应用;其次简述了MOFs研究领域目前面临的机遇和挑战;最后概括了本论文的选题意义和工作进展。第二章,设计合成了一种具有C2轴对称的联苯酚四羧酸有机连接配体H4L,将其分别与锆离子、铁离子进行组装,得到了两种晶态多孔材料Zr-MOF和Fe-MOF。通过单晶X-射线衍射对两种MOFs的结构做了深入解析,单晶数据表明Zr-MOF和Fe-MOF具有完全相同的空间结构。热重分析(TGA)表明两种MOFs的框架结构可以稳定至400℃。使用粉末x-射线衍射(PXRD),红外光谱(FTIR)以及二氧化碳吸附等手段对两种MOFs进行了常规表征,结果显示两种MOFs均具有较高的热力学及化学稳定性。最后研究了两种MOFs在二氧化碳环加成环氧化合物反应中的催化性能。在25℃、1.0 MPa的温和条件下,Zr-MOF和Fe-MOF均表现出了较好的催化活性,对于最小底物环氧丙烷,反应36小时后,转化率分别达到85%、78%。通过底物拓展,发现Zr-MOF、Fe-MOF对一系列环氧化合物均具有催化活性,随着底物尺寸的增大,催化活性随之降低,表明MOFs材料对底物具有一定的筛选功能。循环使用五次后,两种MOFs的催化性能基本保持不变,且PXRD峰形完好,这充分说明了两种MOFs作为非均相催化剂具有很好的稳定性。第三章,工作总结和展望。
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