發(fā)布時間：2017-03-31 13:10

  本文關鍵詞：金屬有機骨架化合物MOF-5的合成及其耐水性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：摘要：金屬-有機骨架材料(Metal-Organic Frameworks, MOFs)是一種新型多功能納米多孔材料,在儲存氣體、氣體分離、催化反應、生物化學及載藥等領域極具潛在應用價值。MOF-5是MOFs系列有機框架化合物的典型代表之一。作為一種具有應用潛力的儲氫材料,MOF-5仍存在一些缺陷,如在潮濕環(huán)境下水分子很容易攻擊相對比較弱的金屬有機配位鍵,使得MOF-5的晶體相轉(zhuǎn)變或者結(jié)構坍塌。因此開展對MOFs吸水穩(wěn)定性、改性骨架結(jié)構從而增強MOF-5耐水性的系列研究工作,具有重要的實際及理論意義。 本文以MOF-5的耐水性能為研究工作的核心內(nèi)容：分別用溶劑熱法和直接加入法合成MOF-5,探討合成方法對MOF-5性狀和耐水性的影響；利用鎳摻雜MOF-5材料,考察摻雜后MOF-5的耐水性；采用機械研磨活化MOF-5,研究機械研磨對耐水性能的影響；構建系列H20分子與Zn4O(BDC)3作用模型,進行量子化學模擬計算,解析了H20分子與次級結(jié)構基元框架的微觀作用機制。論文的主要工作及結(jié)果如下： (1)采用溶劑熱法和直接加入法制備MOF-5,采用XRD、SEM、 TGA/DTG和FTIR多種手段對其進行表征,考察了不同制備方法對MOF-5性狀的改變及其對耐水性能的影響；在實驗基礎上用量子化學計算方法解析了MOF-5次級結(jié)構基元Zn4O(BDC)3與H20分子相互作用微觀機制。實驗結(jié)果表明,溶劑熱法合成的MOF-5R為立方體結(jié)構的黃色晶體,晶體顆粒表面相對平滑,結(jié)晶度較直接加入法合成的白色粉末狀MOF-5_Z高；XRD顯示兩者暴露在空氣中一段時間后結(jié)晶度均降低,并開始吸附水分子形成弱結(jié)合水；根據(jù)DTG和IR可知,暴露在空氣中后,MOF-5_Z較MOF-5_R更易吸收水分子形成弱結(jié)合水,框架結(jié)構坍塌程度更高,即溶劑熱法制備的MOF-5_R耐水性能更好。理論計算結(jié)果表明,H2O與Zn4O(BDC)3間存在弱鍵合穩(wěn)定化作用,并且其中H20處于side方位時,H20分子與框架結(jié)構間弱成鍵作用可能性最大。 (2)選擇Ni為同構摻雜金屬合成摻雜的Ni-MOF-5,考察摻雜后MOF-5的耐水性能。EDS元素分析發(fā)現(xiàn)直接加入法和溶劑熱法都成功將Ni元素摻雜到結(jié)構中；SEM結(jié)果表明溶劑熱法摻雜合成的Ni-MOF-5_R的形貌發(fā)生較大的變化,由立方體變?yōu)榍蝮w,有可能是因為Ni粒子合并到結(jié)構中部分替代了Zn40簇中的Zn原子導致結(jié)構扭曲發(fā)生變化；IR顯示摻雜的和沒摻雜的MOF-5的IR特征峰差別不明顯,但根據(jù)DTA可知鎳摻雜后的MOF-5熱分解溫度大大降低,間接證明了同構結(jié)構的存在。耐水性的研究中,DTG和IR結(jié)果一致,MOF-5_R和MOF-5_Z在放置空氣中8天后都發(fā)生明顯變化,但是Ni-MOF-5_R和Ni-MOF-5_Z幾乎不變,說明Ni摻雜后的Ni-MOF-5_R和Ni-MOF-5_Z耐水性有所增強。 (3)對溶劑熱法和直接加入法合成的MOF-5機械研磨30min,研究機械活化對耐水性質(zhì)的影響。實驗結(jié)果表明研磨后的MOF-5_R和MOF-5_Z的耐水性能都大幅下降。研磨后暴露在空氣中兩天后的MOF-5_R發(fā)生相變；而MOF-5_Z只是結(jié)構部分坍塌,沒有發(fā)生相變。用量子化學方法計算了MOF-5中水分子的水穩(wěn)定化能與坍塌度的關系,發(fā)現(xiàn)體系坍塌后,水穩(wěn)定化能增大,耐水性下降；對水分子在部分坍塌框架中不同方位時進行幾何優(yōu)化計算,發(fā)現(xiàn)當水分子位于坍塌端時,可以通過更多的位置使H原子與斷裂端O原子形成氫鍵,或O原子與Zn4O簇中的Zn形成Zn-O鍵,降低體系能量達到穩(wěn)定。圖49幅,表3個,參考文獻66篇。
【關鍵詞】：金屬-有機框架 MOF-5 耐水性 Zn_4O(BDC)_3 微觀機制 機械研磨 鎳摻雜
【學位授予單位】：中南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：O627
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-21
• 1.1 金屬-有機框架化合物10-15
• 1.1.1 MOFs材料簡介10-11
• 1.1.2 MOF-5的構成和合成方法11-14
• 1.1.3 MOF-5的用途和改性14-15
• 1.2 MOF-5的耐水性問題研究15-16
• 1.3 MOF-5的理論計算研究16-19
• 1.3.1 分子力學方法16-17
• 1.3.2 量子力學方法17-19
• 1.4 本課題研究意義和需要解決的主要問題19-21
• 2 實驗方法21-25
• 2.1 儀器和藥品21
• 2.2 樣品表征試驗方法21-25
• 2.2.1 X射線粉末衍射(XRD)21-22
• 2.2.2 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)22
• 2.2.3 熱重分析(TG/TGA)22-23
• 2.2.4 紅外光譜分析(IR)23
• 2.2.5 機械活化23-25
• 3 不同方法制備的MOF-5耐水性研究25-37
• 3.1 樣品的制備25-26
• 3.1.1 溶劑熱法制備MOF-525
• 3.1.2 直接加入法制備MOF-525-26
• 3.2 不同方法制備的MOF-5的表征26-30
• 3.2.1 SEM表征26-27
• 3.2.2 XRD表征27-28
• 3.2.3 TG/DTG表征28
• 3.2.4 IR表征28-30
• 3.3 不同方法制備的MOF-5耐水性研究30-33
• 3.3.1 SEM表征30
• 3.3.2 XRD表征30-31
• 3.3.3 DTG表征31-32
• 3.3.4 IR表征32-33
• 3.4 Zn_4O(BDC)_3與H_2O分子相互作用微觀機制解析33-36
• 3.4.1 計算方法和模型33-34
• 3.4.2 計算結(jié)果討論34-36
• 3.5 小結(jié)36-37
• 4 鎳摻雜MOF-5耐水性研究37-47
• 4.1 鎳摻雜MOF-5的制備37-38
• 4.1.1 溶劑熱法鎳摻雜37-38
• 4.1.2 直接加入法鎳摻雜38
• 4.2 鎳摻雜后對MOF-5的性質(zhì)的影響38-41
• 4.2.1 SEM形貌及摻雜后成分分析38-39
• 4.2.2 XRD表征39-40
• 4.2.3 DTG表征40-41
• 4.2.4 IR表征41
• 4.3 鎳摻雜后對耐水性質(zhì)的影響41-46
• 4.3.1 SEM表征41-42
• 4.3.2 DTG表征42-44
• 4.3.3 IR表征44-46
• 4.4 小結(jié)46-47
• 5 機械活化對MOF-5耐水性能的影響47-61
• 5.1 樣品制備47
• 5.2 研磨對溶劑熱法合成MOF-5_R耐水性能的影響47-51
• 5.2.1 SEM表征47-48
• 5.2.2 XRD表征48-50
• 5.2.3 紅外表征50-51
• 5.3 研磨后對直接加入法合成MOF-5_Z耐水性能的影響51-55
• 5.3.1 SEM表征51-52
• 5.3.2 XRD表征52-53
• 5.3.3 紅外表征53-55
• 5.4 機械活化后MOF-5與H_2O微觀作用機制55-59
• 5.4.1 計算模型與思路55
• 5.4.2 計算結(jié)果討論55-59
• 5.5 小結(jié)59-61
• 6 結(jié)論與展望61-63
• 參考文獻63-69
• 攻讀學位期間主要的研究成果69-70
• 致謝70

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 楊寶春;姜耀東;秦雪娟;陳志良;任非;;抗腫瘤藥物在金屬有機骨架中的裝載及體外釋放[J];高等學�；瘜W學報;2012年01期

  本文關鍵詞：金屬有機骨架化合物MOF-5的合成及其耐水性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：279644