HKUST-1分等级孔结构材料及其衍生物的可控制备与性能研究

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合理地设计、合成配位聚合物及微/纳米尺寸配位聚合物的分等级孔结构一直是人们研究的热点。配位聚合物,尤其是多孔配位聚合物因其具有高的比表面积、大的孔隙率及其在气体吸附、催化、传感、药物缓释等方面的应用而受到研究者们的广泛关注。但由于微孔结构严重限制了客体分子在材料中的扩散速度、物质传输量以及大尺寸客体分子的进入,从而限制了其在吸附、催化等方面的性能,使得越来越多的研究者们致力于合成介孔、甚至是大孔结构的配位聚合物。除了选用较长配体在分子尺度上构筑介孔配位聚合物以外,通过对已知微孔配合物材料在纳米尺度上进行结构和形貌的调控构筑具有分等级孔结构的配合物微/纳米材料近年来也引起了研究者们的兴趣。目前研究者们已经得到了多孔配位聚合物的空心结构、薄膜以及三维分等级立体结构,并报道了他们在选择性催化、吸附与分离、电化学传感、电催化、新能源等方面的优异性能,为多孔配位聚合物材料的应用带来了新的方向。由于多孔配位聚合物具有规则、均一的孔结构,其金属离子与有机配体在空间均匀分散排布等特点,以多孔配位聚合物为模板前驱体,通过煅烧、水解等方法为合成多孔碳/金属复合物以及金属氧化物的超级结构提供了可能。目前研究者们已经将得到的多孔碳/金属复合物以及金属氧化物材料用于小分子催化、电化学析氢、电化学二氧化碳还原、锂离子电池电极材料等方向,并表现出了优异的性能。与传统的氧、氮配位原子相比,配体中低电负性的硫原子将会降低配体的最低空价轨道(LUMO)能级,并增加最高占有轨道(HOMO)能级,因此研究硫原子参与配位对硫-金属配合物的发光、磁性等方面的影响具有重要的意义。在本论文中,分别使用金属源模板法、柠檬酸(CA)调节剂法以及低电负性的硫配位原子分别从微/纳米尺度和分子尺度对配位聚合物的微观结构和分子结构进行了调控,分别得到了配位聚合物的分等级孔结构和硫原子配位的新型配位聚合物,并以分等级孔结构的配位聚合物为前驱体,合成了氧化铜分等级管状超级结构和多孔C/Cu复合材料,并对它们的性能进行了研究,得到了以下研究成果:  1.以Cu2O纳米线为金属源模板,在一定条件下直接与均苯三甲酸(H3BTC)配体反应,成功得到了Cu2O/HKUST-1(HKUST-1=Cu3(BTC)2)核/鞘纳米线结构,并研究了溶剂对HKUST-1晶核在Cu2O纳米线表面上生长的影响,发现保持Cu2O纳米线的溶解速度、HKUSG1的成核速度、以及晶体的生长速度三者之间的平衡是成功得到Cu2O/HKUST-1核/鞘纳米线的关键因素。分等级孔结构的HKUST-1纳米管通过在弱酸溶液中刻蚀掉Cu2O得到,对CR染料和MB染料表现出了很强的吸附性能。  2.发现了一种用于构筑微孔、介孔和大孔分等级孔结构的配位聚合物的新型调节剂(柠檬酸,CA)。使用金属源(Cu2O)纳米颗粒直接转化的合成方法,通过调节CA的添加量、溶剂等条件得到了三种不同尺寸(纳米级、亚微米级、以及微米级)具有微孔、介孔、和大孔的分等级HKUST-1八面体(HP-HKUST-1)。对微米级HP-HKUST-1八面体进行活性分子磷钼酸(HPMo)的负载,得到的HPMo/HP-HKUST-1复合材料表现出了优异的氧化苯乙烯的甲醇解催化活性。  3.以Cu2O/HKUST-1核/鞘纳米线为前驱体,通过碱性溶液中原位水解HKUST-1鞘、氧化刻蚀Cu2O核的方法成功得到了中空管状的CuO超级结构,并表现出了CO氧化的催化活性。以纳米级和亚微米级HP-HKUST-1分等级孔结构八面体为前驱体,在氮气气氛下低温煅烧得到了多孔C/Cu的复合物,使用该材料进行电极修饰后,发现该材料表现出了OER的活性。  4.以哌嗪1,4-二硫代羧酸二钠(Na2(pipzdtc))和4(5)-咪唑二硫代羧酸(H2imdtc)两种硫代羧酸配体,分别采用凝胶合成法和溶液法得到了四种结构不同的一维链状的配位聚合物,其中Ni基配合物表现出了反铁磁相互作用。
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