本文關鍵詞：由聯(lián)吡啶羧酸構筑的鑭系MOFs材料的合成、結構與性能研究

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【摘要】：由無機金屬離子與有機配體連接成的MOFs(金屬有機框架)材料,由于在催化、電學、光學、分子識別、氣體吸附等領域體現(xiàn)出的潛在應用價值,成為了近年來晶體工程學、超分子化學、配位化學的研究熱點。本課題設計并合成了具有二維骨架結構的MOFs材料[Nd_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]n、[Sm_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]n和具有一維結構的材料{[Ho(bpdc)_2(H_2O)4]·(H_2O)}n,并對其合成工藝、結構性能進行系統(tǒng)的研究,研究結果如下：1、 分子設計的研究：通過合成MOFs所需的中心金屬離子與有機配體的選擇,金屬離子與有機配體配位模式的設計與配比的研究,對MOFs材料進行前期的分子設計。2、 合成工藝的研究：采用水熱合成方法,控制單一變量,研究反應物料配比、反應體系pH、反應溫度與降溫速率、溶劑種類的選擇與用量對目標材料合成的影響,得出最佳合成工藝。3、 已合成MOFs材料的結構研究：(1)采用紅外光譜分析方法對合成的MOFs材料配位情況進行研究,結果表明已發(fā)生配位;(2)采用X-射線單晶衍射分析合成產物的晶體結構：MOFs材料[Nd_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]n、[Sm_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]n屬于三斜晶系,Pi空間群,其中Nd(III)離子為九配位模式,與吡啶羧酸中的O原子、己二酸中的O原子及配位水中的O原子發(fā)生配位,形成不規(guī)則的十三面體結構；MOFs材料{[Ho(bpdc)_2(H_2O)4](H_2O)}n屬于單斜晶系,P2/c空間群,其中Ho(Ⅲ)離子為八配位模式,與吡啶羧酸中的O原子及配位水中的O原子發(fā)生配位,形成不規(guī)則的十二面體結構。4、 已合成MOFs材料的性質表征研究：(1)結合Mercury模擬出XRD標準譜圖與X射線粉末衍射分析,對合成MOFs材料的物相進行研究,結果表明材料潔凈度良好；(2)采用掃描電鏡對已合成MOFs材料的形貌進行研究,結果表明材料均為片狀材料,有明顯的層狀結構;(3)采用熱重分析方法對已合成MOFs材料的熱穩(wěn)定性進行分析,結果表明材料[Nd_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]n在197℃以下可以穩(wěn)定存在,[Sm_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]n在209℃以下可以穩(wěn)定存在,材料{[Ho(bpdc)_2(H_2O)4]·(H_2O)}n在145℃以下可以穩(wěn)定存在。同時,通過熱重圖譜顯示的分解率可以計算出材料中配位水分解與骨架坍塌的溫度范圍。5、 已合成MOFs材料的性能研究：(1)采用紫外可見漫反射光譜對合成材料的導電性能進行研究,結果表明[Nd_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]n、[Sm_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]n、 {[Ho(bpdc)_2(H_2O)4]·(H_2O)}n材料為良好的絕緣體材料。(2)采用熒光激發(fā)光譜對材料：{[Ho(bpdc)_2(H_2O)4]·(H_2O)}n進行熒光性能的研究,結果表明{[Ho(bpdc)_2(H_2O)4]·(H_2O)}n在紫外燈下發(fā)出綠光,420nm激發(fā)波長下在480nm左右出現(xiàn)發(fā)射峰,該材料可作為光致發(fā)光材料。(3)采用線性伏安掃描(LSV)站對合成材料的電催化性能進行研究,結果表明800℃高溫煅燒后,[Nd_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]n、 [Sm_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]n均具有電催化的ORR活性。本課題設計并合成了三種新型功能型MOFs材料,并對合成工藝、材料結構、材料性能表征、材料性能進行了系統(tǒng)的研究。為劍橋晶體數(shù)據(jù)庫(CCDC)與新型功能型MOFs材料的合成與應用提供理論基礎,為新型功能型MOFs材料未來的發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐。
【關鍵詞】：鑭系金屬 吡啶羧酸配體 導電性能 光學性能 電催化性能
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O641.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 緒論16-34
• 1.1 MOFs材料的研究進展16-23
• 1.1.1 MOFs材料的提出與發(fā)展16-18
• 1.1.2 MOFs材料在光學方面的應用18-19
• 1.1.3 MOFs材料在電學及電催化方面的應用19-22
• 1.1.4 MOFs材料在其他方面的應用22-23
• 1.2 MOFs材料的設計過程與合成方法23-32
• 1.2.1 MOFs材料的可控設計23-25
• 1.2.2 合成MOFs材料的配體的選擇25-28
• 1.2.3 合成MOFs材料的金屬中心離子的選擇28-30
• 1.2.4 MOFs材料合成方法的選擇30-32
• 1.3 本課題研究目的與內容32-34
• 第二章 實驗部分34-46
• 2.1 實驗儀器與藥品34-36
• 2.1.1 實驗儀器34-35
• 2.1.2 實驗藥品35-36
• 2.2 MOFs材料的設計36-39
• 2.2.1 金屬中心離子的選擇36
• 2.2.2 有機配體的選擇與合成36-39
• 2.2.3 反應物配比設計39
• 2.3 MOFs材料的合成工藝的研究39-41
• 2.3.1 合成方法的選擇39-40
• 2.3.2 溶劑種類與用量對合成的影響40
• 2.3.3 反應體系pH對合成的影響40
• 2.3.4 反應溫度與降溫速率對合成的影響40-41
• 2.4 MOFs材料的結構研究41-42
• 2.4.1 MOFs材料配位情況分析41
• 2.4.2 MOFs材料晶體結構分析41-42
• 2.5 MOFs材料的性質表征42-43
• 2.5.1 MOFs材料的形貌分析42
• 2.5.2 MOFs材料物相組成分析42-43
• 2.5.3 MOFs材料的熱穩(wěn)定性分析43
• 2.6 MOFs材料的性能分析43-46
• 2.6.1 MOFs材料的導電性能分析43-44
• 2.6.2 MOFs材料的熒光性能分析44
• 2.6.3 MOFs材料的電催化性能分析44-46
• 第三章 結果與討論46-92
• 3.1 第一配體H_2bpdc的合成及表征46-47
• 3.1.1 第一配體H_2bpdc的合成46-47
• 3.1.2 第一配體H_2bpdc的紅外表征47
• 3.2 產物MOFs材料的合成工藝優(yōu)化47-61
• 3.2.1 [Nd_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]_n的合成工藝優(yōu)化48-52
• 3.2.2 [Sm_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]_n的合成工藝優(yōu)化52-56
• 3.2.3 {[Ho(bpdc)_2(H_2O)_4]·(H_2O)}_n的合成工藝優(yōu)化56-60
• 3.2.4 影響產物MOFs材料合成其它因素60-61
• 3.3 產物MOFs材料的配位情況分析61-63
• 3.3.1 [Nd_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]_n的配位情況分析61
• 3.3.2 [Sm_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]_n的配位情況分析61-63
• 3.3.3 {[Ho(bpdc)_2(H_2O)_4]·(H_2O)}_n的配位情況分析63
• 3.4 產物MOFs材料的晶體結構分析63-78
• 3.4.1 [Nd_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]_n的晶體結構分析69-73
• 3.4.2 [Sm_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]_n的晶體結構分析73-76
• 3.4.3 {[Ho(bpdc)_2(H_2O)_4]·(H_2O)}_n的晶體結構分析76-78
• 3.5 產物MOFs材料的晶體形貌分析78-79
• 3.5.1 [Nd_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]_n的晶體形貌分析78
• 3.5.2 [Sm_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]_n的晶體形貌分析78-79
• 3.6 產物MOFs材料的物相成分分析79-81
• 3.6.1 [Nd_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]_n的物相成分分析79-80
• 3.6.2 [Sm_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]_n的物相成分分析80-81
• 3.6.3 {[Ho(bpdc)_2(H_2O)_4]·(H_2O)}_n的物相成分分析81
• 3.7 產物MOFs材料的熱穩(wěn)定性分析81-84
• 3.7.1 [Nd_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]_n的熱穩(wěn)定性分析81-82
• 3.7.2 [Sm_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]_n的熱穩(wěn)定性分析82-83
• 3.7.3 {[Ho(bpdc)_2(H_2O)_4]·(H_20)}_n的熱穩(wěn)定性分析83-84
• 3.8 產物MOFs材料的導電性能分析84-86
• 3.8.1 [Nd_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]_n導電性能分析84-85
• 3.8.2 [Sm_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]_n導電性能分析85-86
• 3.8.3 {[Ho(bpdc)_2(H_2O)_4]·(H_2O)}_n導電性能分析86
• 3.9 產物MOFs材料的熒光性能分析86-87
• 3.10 產物MOFs材料的電催化性能分析87-89
• 3.10.1 [Nd_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]_n電催化性能分析87-88
• 3.10.2 [Sm_2(bpdc)_2(adi)(H_2O)_6]_n電催化性能分析88-89
• 3.11 本章小結89-92
• 第四章 結論92-94
• 參考文獻94-98
• 致謝98-99
• 研究成果及發(fā)表的學術論文99-100
• 作者和導師簡介100-101
• 北京化工大學碩士研究生學位論文答辯委員會決議書101-103

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