金属—有机络合聚合物（MOCPs）的孔结构设计调控及其应用研究

摘要

材料科学是目前发展迅猛的一门学科，很多种新型材料的涌现使得这一研究领域变得异常活跃，特别是在面临能源危机的今天，对燃气能有效储存的新材料就更能吸引人们的关注。金属-有机络合聚合物(metal-organic coordination polymers，MOCPs)，又称金属一有机骨架(MOFs)，是近年来发展起来的一种对燃料气体如氢气、甲烷气、天然气等具有储存潜能的新型多孔晶体材料。这是一种利用金属离子和多齿有机配体合成的具有特殊孔道结构的类沸石骨架材料。在择形及手性催化、吸附分离、气体储存、分子识别、光电性能、传感器、生物模拟、微反应器、医学诊疗等方面都拥有诱人的应用潜力。 设计和调节多孔材料的孔径从而合成具有特殊孔结构的功能性多孔材料一直是多孔材料领域研究的一个挑战。本文采用低温常压水热合成法，选择了对苯二甲酸、烟酸、异烟酸、反丁烯二酸作为有机配体，分别与Cd<'2+>配位合成一系列晶体，来证实有机配体对MOCPs孔结构的调节作用。还选择了Cd<'2+>和Zn<'2+>作为金属中心，分别与对苯二甲酸配位合成另一系列的晶体，来证实金属离子在MOCPs孔结构的构筑中的调节作用。在MOCPs的合成过程中，研究分析了主要实验条件如构建分子浓度、pH值、NH<,3>H<,2>O用量以及温度对晶体形成的影响规律。在对合成样品的检测和表征中，分别用红外光谱法确认晶体骨架中的有机官能团；用粉末和单晶的X射线衍射分析法测定了MOCPs的晶体结构，并确定其骨架的组成；通过BET表面积测定法测定晶体的比表面积和孔径分布；以热重分析(TGA)和差热分析(DTA)测定材料骨架的热稳定性。此外，还测定了晶体在一些常用溶剂中的溶解性能，并对晶体在pH=1～14的水溶液中进行了溶解测试。另外，对聚合物(C<,12>H<,16>N<,2>O<,8>Cd)<,n>晶体在分子识别领域里的应用进行了探索。 实验结果证明：有机配体和金属离子对MOCPs孔结构的调节在一定的条件下是可以实现的。

目录

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英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2几种常见的多孔材料

1.2.1活性碳

1.2.2沸石

1.2.3纳米结构碳材料

1.2.4 MOCPs

1.3 MOCPs的合成方法

1.3.1水热合成法

1.3.2溶剂热合成法

1.3.3水-溶剂混合热合成法

1.3.4扩散合成法

1.4 MOCPs孔结构的调节途径

1.4.1有机配体调节

1.4.2金属离子调节

1.4.3模板剂调节

1.4.4反应条件控制

1.5 MOCPs的应用

1.5.1吸附分离

1.5.2气体存储

1.5.3催化

1.5.4分子识别

1.5.5其它

1.6课题的研究内容

2 MOCPs的合成及表征

2.1引言

2.2 MOCPs的水热合成

2.2.1实验药品及仪器

2.2.2 MOCPs的合成

2.2.3合成条件对产物生成的影响

2.3 MOCPs的性能与结构表征

2.3.1引言

2.3.2元素分析

2.3.3红外光谱分析

2.3.4粉末与单晶XRD分析

2.3.5 MOCPs的热重与差热分析

2.3.6 MOCPs的溶解特性测试

2.3.7 MOCPs的低温N2吸附等温线

2.4结果与讨论

2.4.1 MOCPs的骨架官能团

2.4.2 MOCPs的结构与形貌

2.4.3 MOCPs的热稳定性与溶解特性

2.4.4 MOCPs的比表面积及孔径分布

2.5结论

3 MOCPs孔结构的调节途径

3.1有机配体对MOCPs孔结构的调节

3.1.1网络结构

3.1.2孔径与比表面积

3.1.3孔表面特性

3.1.4吸附/脱附行为

3.1.5热稳定性

3.2金属离子对MOCPs孔结构的调节

3.2.1网络结构

3.2.2孔径与比表面积

3.2.3孔表面特性

3.2.4吸附/脱附行为

3.2.5热稳定性

3.3结论

4 MOCPs在分子识别领域的应用探索

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1仪器与材料

4.2.2实验方法

4.2.3成份测定

4.3结果与讨论

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

致 谢

参考文献

附 录