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多酸基晶态多孔材料的离子交换合成及性质研究

马凤吉  
【摘要】:开发具有多功能性的多孔材料一直以来都是材料科学领域的热点。金属-有机框架(meta1-organic frameworks,MOFs)作为一类新型的晶态多孔材料,在磁学、吸附、催化等众多领域中展示出广阔的应用前景。该类材料是通过金属离子与有机配体自组装连接而成,不但具有高的比表面积,而且能够实现孔径、孔尺寸的可调。因此,当MOFs作为主体时可选择性结合不同客体分子,在一定范围内优化结构、提高性能。其中,将多金属氧酸盐(Polyoxometalates, POMs)作为客体引入MOFs中,已经成为构筑新型多酸基多孔材料的一个有效途径。本论文通过将具有功能性的POMs引入到多孔MOFs中,设计合成了具有持久、稳定孔结构的多酸基晶态多孔材料,探索了该类材料的合成规律,分析了结构与稳定性、多孔性之间的关系。 采用水热合成方法和离子交换,合成了五个多酸基晶态多孔化合物。通过单晶X-射线衍射分析、元素分析、热重分析、红外光谱等手段对化合物进行了表征,系统研究了其气体吸附性质,主要包括氮气、氢气、一氧化氮、挥发性有机蒸汽及神经毒气模拟剂。并初步研究了其中部分化合物在催化分解有毒气体方面的应用。主要研究结果如下: 1、在课题组前期工作基础上,采用Keggin型多阴离子[PW_(12)O_(40)]3-作为模板,通过一步水热法制得了一个具有经典方钠石型拓扑的多孔金属-有机框架化合物H_3[(Cu_4Cl)_3(BTC)_8]_2[(C_4H_(12)N)_6PW_(12)O_(40)]·3H_2O(1)。该化合物具有高的稳定性和多孔性,对神经毒气模拟剂甲基膦酸二甲酯(dimethyl methylphosphonate,DMMP)表现出良好的吸附,室温条件下吸附DMMP达到23.82%(1.92mmol g-1),相当于每分子式单元吸附了15.5个DMMP分子。同时,该化合物能够在较温和的条件下将吸附的DMMP催化水解,50℃时转化率达到93%,在消除神经毒气方面展现出巨大潜力。 2、利用相同方法,改换Keggin型多阴离子[SiW_(12)O_(40)]4-,合成与化合物1同构的多酸基多孔化合物2,H4[(Cu4Cl)3(BTC)8]2[(C4H12N)6SiW_(12)O_(40)]·3H_2O,并首次将其应用在NO吸附和分解的研究上。具有Cu活性位点的主体框架与多酸客体分别与NO分子作用,共同提高了298K时NO的吸附量。同时,多酸的引入提高了材料整体的热稳定性,为加热分解NO提供了可能。将吸附了NO的材料快速加热时,可以观察到NO的分解,根据产物N2计算转化率,573K时NO分解达到64%。 3、通过离子交换反应将碱金属离子(Li+、K+)引入到已合成的多酸基多孔化合物中,制备了3例同构的化合物: Li_2[Cu_(12)(BTC)_8·12H_2O][HPW_(12)O_(40)]·27H_2O (3) Li_2[Cu_(12)(BTC)_8·12H_2O][H_2SiMo_(12)O_(40)]·25H_2O (4) K_2[Cu_(12)(BTC)_8·12H_2O][HPW_(12)O_(40)]·28H_2O (5) 碱金属离子的引入在保持原有主体框架结构的同时改善了孔结构,碱金属离子可视为增加的吸附活性点。氮气、氢气和挥发性有机蒸汽(volatile organic compounds,VOCs)吸附实验结果表明,材料的吸附性能有所增强。随后通过对不同温度吸附等温线的拟合分析,计算吸附能,证明碱金属离子及客体多酸阴离子与气体分子之间存在较强的相互作用。


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