新型金屬有機(jī)框架及衍生物的吸附性能與超級(jí)電容器性能研究
發(fā)布時(shí)間：2020-11-12 00:01
金屬有機(jī)框架(MOFs)材料是一種具有多孔性的晶體材料,具有結(jié)構(gòu)有序、孔徑可調(diào)、比表面積大以及官能團(tuán)化等特點(diǎn)。多功能的MOFs材料不僅能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)的吸附與分離,并且作為一種新型的電極材料,已經(jīng)成為人們研究的熱點(diǎn)。本論文主要基于3,3’5,5’-氧化偶氮苯四羧酸(H_4AOBTC)和1,4-二(1H-苯并[d]咪唑-1-基)苯(phenDIB)雙配體設(shè)計(jì)合成一種新型的MOF材料,并對(duì)其吸附性能進(jìn)行了研究。此外,我們又通過(guò)形貌調(diào)控制備了納米化的MOFs及其衍生物,并研究了它們的超級(jí)電容性能。內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:我們成功制備出了一種基于H_4AOBTC和phenDIB雙配體的新型Zn-MOF單晶[Zn(phenDIB)(AOBTC)_(0.5)](1),具有超強(qiáng)的耐熱和耐腐蝕性,甚至在沸水中煮沸12 h仍可以保持完整的骨架。更重要的是它能將混合染料溶液中的陽(yáng)離子染料成功分離出來(lái),甚至是對(duì)具有較大尺寸的羅丹明B分子也有很高的分離效率。此外,這種材料是可以重復(fù)使用的,吸附的染料分子能夠被完全釋放出來(lái)并回收利用。分別將L-天冬氨酸(L-Aspartic acid)和對(duì)苯二甲酸(H_2BDC)作為配體,采用室溫?cái)U(kuò)散和溶劑熱法制備了Cu-Asp配位聚合物(PCP)納米線和Ni-BDC MOF納米球,然后將它們作為犧牲模板,通過(guò)控制煅燒溫度,將PCP/MOF轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的金屬氧化物。在KOH溶液中,對(duì)PCP/MOF及其衍生物進(jìn)行了相關(guān)的電化學(xué)測(cè)試。結(jié)果表明,Cu-Asp納米線在電流密度0.6 A g~(-1)情況下,比容量為367 F g~(-1),在1000次連續(xù)循環(huán)后,比電容剩余率是94%。煅燒后所得CuO納米管的倍率性能高達(dá)77%,且循環(huán)性能為96%。此外,雙殼層NiO中空納米球(N400)也展示了高的電荷儲(chǔ)存能力以及好的循環(huán)穩(wěn)定性�；谶@些優(yōu)點(diǎn),我們組裝了N400//活性炭(AC)不對(duì)稱超級(jí)電容器(ASC)裝置,在375.8 W kg~(-1)的功率密度下,其能量密度為21.4 Wh kg~(-1)。特別是,N400//AC ASC展示了出色的循環(huán)穩(wěn)定性,在3000次循環(huán)后,電容保持率仍可達(dá)到92.3%。以上結(jié)果表明我們用于合成多孔納米線、納米管以及納米球的策略可以制備出具有高儲(chǔ)能效果的電極材料。綜上所述,本文致力于設(shè)計(jì)合成新穎的MOFs單晶,并對(duì)所合成的一系列MOFs材料及其衍生物進(jìn)行系統(tǒng)的分析表征,分別探究它們?cè)谖?分離和超級(jí)電容器方面的應(yīng)用。此外,由MOF導(dǎo)向合成的金屬氧化物不僅具有新穎的形貌,而且具有多孔性,為MOFs材料的發(fā)展提供了更廣闊的應(yīng)用前景。
【學(xué)位單位】：寧波大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TB383.4;TM53
【部分圖文】：
圖1.1.1 MOFs 的組裝示意圖Fig.1.1.1 Schematic diagram of the assembly of MOFs.s 研究的不斷深入，合成 MOFs 的方法也變得比較常用的方法，此外擴(kuò)散法，微波法，電漸被人們所采用[16, 17]。MOFs 可以在較低多齒的羧酸類(lèi)或含氮雜環(huán)類(lèi)有機(jī)配體與一些位得到。在合成過(guò)程中，反應(yīng)溫度，反應(yīng)時(shí)均會(huì)對(duì)晶體的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，但是，最重要的，因?yàn)榫w的空間結(jié)構(gòu)主要還是由金屬離子剛性配體的 MOFs 相比，一些基于柔性配體行為，會(huì)隨著外部因素(溫度、壓力、客體分靈活性促使此類(lèi) MOFs 可根據(jù)外部條件的改結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)變。在 2014 年，曹榮課題組[18Fs 材料的結(jié)構(gòu)特征，并研究了它們?cè)跉怏w吸
此當(dāng) MO 溶液的 pH 值增大時(shí)，吸附劑對(duì) MO 分子的吸附量會(huì)下降。這一結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了 MOF 235 是通過(guò)靜電引力與染料分子之間發(fā)生相互作用的。圖1.2.1.1 MOF 235 與MO 和MB 染料分子的靜電作用示意圖[19]Fig. 1.2.1.1 Schematic illustration of electrostatic interaction between MO and MB dyes and MOF 235.2013 年 ， Wang 等 人[20]報(bào) 道 了 一 種 中 性 的 MOF 材 料{[Cu24(5 hip)24(bpy)6(H2O)12]·119DMF} ，被用于吸收三種染料分子亞甲基藍(lán)（MB），甲基橙（MO）和羅丹明 B（(RhB）。結(jié)果顯示，MB 和 MO 分子能夠被完全吸收，而 RhB 分子幾乎不被吸收。因?yàn)?RhB 分子的尺寸大小已經(jīng)超過(guò)了 MOF 的孔徑尺寸，因此不能進(jìn)入 MOFs 的孔道，從而有助于實(shí)現(xiàn)混合染料中不同尺寸染料分子間的分離。圖1.2.1.2 NH2 MIL 101 Al 與PNP 通過(guò)氫鍵相互作用的機(jī)理圖[21]Fig. 1.2.1.2 A mechanism diagram of PNP adsorption on NH2 MIL 101 Al byhydrogen bonding.2014 年
此當(dāng) MO 溶液的 pH 值增大時(shí)，吸附劑對(duì) MO 分子的吸附量會(huì)下降。這一結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了 MOF 235 是通過(guò)靜電引力與染料分子之間發(fā)生相互作用的。圖1.2.1.1 MOF 235 與MO 和MB 染料分子的靜電作用示意圖[19]Fig. 1.2.1.1 Schematic illustration of electrostatic interaction between MO and MB dyes and MOF 235.2013 年 ， Wang 等 人[20]報(bào) 道 了 一 種 中 性 的 MOF 材 料{[Cu24(5 hip)24(bpy)6(H2O)12]·119DMF} ，被用于吸收三種染料分子亞甲基藍(lán)（MB），甲基橙（MO）和羅丹明 B（(RhB）。結(jié)果顯示，MB 和 MO 分子能夠被完全吸收，而 RhB 分子幾乎不被吸收。因?yàn)?RhB 分子的尺寸大小已經(jīng)超過(guò)了 MOF 的孔徑尺寸，因此不能進(jìn)入 MOFs 的孔道，從而有助于實(shí)現(xiàn)混合染料中不同尺寸染料分子間的分離。圖1.2.1.2 NH2 MIL 101 Al 與PNP 通過(guò)氫鍵相互作用的機(jī)理圖[21]Fig. 1.2.1.2 A mechanism diagram of PNP adsorption on NH2 MIL 101 Al byhydrogen bonding.2014 年
【參考文獻(xiàn)】
本文編號(hào)：2879942
【學(xué)位單位】：寧波大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TB383.4;TM53
【部分圖文】：
圖1.1.1 MOFs 的組裝示意圖Fig.1.1.1 Schematic diagram of the assembly of MOFs.s 研究的不斷深入，合成 MOFs 的方法也變得比較常用的方法，此外擴(kuò)散法，微波法，電漸被人們所采用[16, 17]。MOFs 可以在較低多齒的羧酸類(lèi)或含氮雜環(huán)類(lèi)有機(jī)配體與一些位得到。在合成過(guò)程中，反應(yīng)溫度，反應(yīng)時(shí)均會(huì)對(duì)晶體的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，但是，最重要的，因?yàn)榫w的空間結(jié)構(gòu)主要還是由金屬離子剛性配體的 MOFs 相比，一些基于柔性配體行為，會(huì)隨著外部因素(溫度、壓力、客體分靈活性促使此類(lèi) MOFs 可根據(jù)外部條件的改結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)變。在 2014 年，曹榮課題組[18Fs 材料的結(jié)構(gòu)特征，并研究了它們?cè)跉怏w吸
此當(dāng) MO 溶液的 pH 值增大時(shí)，吸附劑對(duì) MO 分子的吸附量會(huì)下降。這一結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了 MOF 235 是通過(guò)靜電引力與染料分子之間發(fā)生相互作用的。圖1.2.1.1 MOF 235 與MO 和MB 染料分子的靜電作用示意圖[19]Fig. 1.2.1.1 Schematic illustration of electrostatic interaction between MO and MB dyes and MOF 235.2013 年 ， Wang 等 人[20]報(bào) 道 了 一 種 中 性 的 MOF 材 料{[Cu24(5 hip)24(bpy)6(H2O)12]·119DMF} ，被用于吸收三種染料分子亞甲基藍(lán)（MB），甲基橙（MO）和羅丹明 B（(RhB）。結(jié)果顯示，MB 和 MO 分子能夠被完全吸收，而 RhB 分子幾乎不被吸收。因?yàn)?RhB 分子的尺寸大小已經(jīng)超過(guò)了 MOF 的孔徑尺寸，因此不能進(jìn)入 MOFs 的孔道，從而有助于實(shí)現(xiàn)混合染料中不同尺寸染料分子間的分離。圖1.2.1.2 NH2 MIL 101 Al 與PNP 通過(guò)氫鍵相互作用的機(jī)理圖[21]Fig. 1.2.1.2 A mechanism diagram of PNP adsorption on NH2 MIL 101 Al byhydrogen bonding.2014 年
此當(dāng) MO 溶液的 pH 值增大時(shí)，吸附劑對(duì) MO 分子的吸附量會(huì)下降。這一結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明了 MOF 235 是通過(guò)靜電引力與染料分子之間發(fā)生相互作用的。圖1.2.1.1 MOF 235 與MO 和MB 染料分子的靜電作用示意圖[19]Fig. 1.2.1.1 Schematic illustration of electrostatic interaction between MO and MB dyes and MOF 235.2013 年 ， Wang 等 人[20]報(bào) 道 了 一 種 中 性 的 MOF 材 料{[Cu24(5 hip)24(bpy)6(H2O)12]·119DMF} ，被用于吸收三種染料分子亞甲基藍(lán)（MB），甲基橙（MO）和羅丹明 B（(RhB）。結(jié)果顯示，MB 和 MO 分子能夠被完全吸收，而 RhB 分子幾乎不被吸收。因?yàn)?RhB 分子的尺寸大小已經(jīng)超過(guò)了 MOF 的孔徑尺寸，因此不能進(jìn)入 MOFs 的孔道，從而有助于實(shí)現(xiàn)混合染料中不同尺寸染料分子間的分離。圖1.2.1.2 NH2 MIL 101 Al 與PNP 通過(guò)氫鍵相互作用的機(jī)理圖[21]Fig. 1.2.1.2 A mechanism diagram of PNP adsorption on NH2 MIL 101 Al byhydrogen bonding.2014 年
【參考文獻(xiàn)】
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1 王超;蘇偉;鐘國(guó)彬;魏增福;徐凱琪;;超級(jí)電容器及其在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用[J];廣東電力;2015年12期
2 夏熙,劉洪濤;一種正在迅速發(fā)展的貯能裝置——超電容器(2)[J];電池工業(yè);2004年04期
本文編號(hào)：2879942
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