ZnO诱导的ZIF膜设计制备与气体渗透性能

摘要

金属有机骨架(MOFs)材料因其独特的骨架结构而具有高比表面积、可调控的孔道尺寸以及较好的稳定性等特征，在吸附与分离、能源、传感等领域具有巨大的应用前景。沸石咪唑类骨架(ZIFs)是MOFs材料的重要分支，与沸石硅铝分子筛具有相同的键角和类似的拓扑结构，并具有良好的稳定性。因此，ZIFs常被用作气体或液体分离的膜材料，是当今膜研究领域的热点之一;此外常规ZIF膜气体渗透一般都受到渗透率与选择性相互影响的限制(即为罗伯逊上限)，而二维纳米片式膜是突破罗伯逊上限的最佳选择。但膜的设计制备问题一直是相关领域的研究难点。本论文提出采用在多孔载体表面引入纳米ZnO层作为诱导层，结合不同的合成策略，设计制备了不同结构的高性能管式ZIF膜。主要研究内容如下:
　　(1)基于小孔径ZIF-14膜制备难的问题，采用载体表面引入一层均匀ZnO纳米阵列棒的策略，诱导生长获得了连续完整的ZIF-14膜。ZnO纳米阵列棒可起到修饰载体并在膜和载体间起到连接作用，明显提高了膜层的稳定性和完整性。使用含有二乙基咪唑配体的DMF溶液对ZnO纳米阵列棒进行活化诱导，更有利于膜生长的完整性。所得ZIF-14膜具有良好的气体分离性能和高温操作稳定性:H2/CO2、H2/N2和H2/CH4的理想分离系数分别可达20.4、27.8和30.3;在温度250℃下循环测试100h后，膜层对H2/CO2的理想分离系数仍然保持在18左右，表现出良好的热稳定性。
　　(2)针对当今MOF膜合成液大都采用有机溶剂体系且仅一次性使用，而导致环境污染和严重浪费的问题，采用以载体表面引入的ZnO纳米阵列棒充当ZIF膜生长的全部金属锌源，用水为溶剂的2-甲基咪唑溶液作为合成液，通过ZnO纳米阵列棒自转化生长形成连续完整的ZIF-8膜。所制备得到厚度为5μm具有良好的气体分离性能和热稳定性的ZIF-8膜:H2/CH4的双组份混合气体的分离系数可达40.2，均远高于相应的Knudsen扩散系数。对比考察表明:水为溶剂的配体合成液比甲醇或乙醇为溶剂的合成液具有更好的自转化成膜效果;而且2-甲基咪唑的水溶液(浓度为0.5M)可进行多次重复使用(大约50次)，推导可得:当水溶液中2-甲基咪唑配体的浓度不低于0.23M时，均可获得完整ZIF-8膜。有效解决了膜合成液中有机配体的循环使用，大大降低了制备成本，具有很好的潜在应用开发前景。
　　(3)针对常规ZIF膜气体分离普遍存在的罗伯逊上限问题，首次采用直接生长法在多孔陶瓷管载体表面引入ZnO纳米粒子，通过诱导自转化生长形成纳米片式ZIF膜。直接生长法可避免现有采用纳米片剥离-沉积涂膜存在的许多不足。ZnO纳米粒子层作为纳米片式膜生长的锚定位点和锌源，借助氨水调节剂的作用，在苯并咪唑的甲醇合成液中自转化形成片式取向膜。膜生长初期采用溶剂对载体表面不同取向的成核点进行精细冲洗，有利于提高二维纳米片式ZIF膜的取向性。ZnO纳米粒子自转化所得Zn2(bIm)4纳米片的纵横比约为40、厚度约为22±2nm;优化制备厚度约为50nm的纳米片膜对氢气渗透通量可达2.04×10-7mol·m-2·s-1·Pa-1，H2/CO2、H2/N2和H2/CH4的理想选择性分别高达53、67和90，远高于常规ZIF膜的气体分离性能，并具有良好稳定性。通过对纳米片式膜渗透性能研究发现:膜层越薄时，膜层的通量与分离系数越高。
　　(4)针对制备上述ZnO纳米粒子层自转化形成纳米片式膜过程中，容易出现纳米片取向混乱的问题，利用氧化石墨烯(GO)的导向和限域作用，在ZnO纳米粒子层表面上引入一薄层具有丰富含氧基团的氧化石墨烯，再经合成液处理自转化成膜，成功获得了高取向Zn2(bIm)4纳米片式ZIF膜。GO具有丰富的含氧官能团和片状特征起到很好的诱导成核和限域生长的双功能作用，大大提高了纳米片ZIF膜的取向性和制备重复性。结合XRD、XPS、Raman以及红外等多种表征手段，推测了GO层的成膜角色和高取向纳米片成膜机理。所得厚度为200nm的纳米片式ZIF膜的氢气渗透率为1.5×10-7mol·m-2·s-1·Pa-1，H2/CO2、H2/N2和H2/CH4的理想分离选择性高达106、126和256。在150℃时经过400h的变温测试后膜依然具有良好的气体分离性能，展示了优异的操作稳定性。该策略为高度取向的纳米片MOF膜制备开辟了一条简单且可升级的规模制备的合成路线。

目录

声明

摘要

图目录

1 绪论

1．1金属有机骨架材料的发展概况

1．2金属有机骨架膜的制备方法

1．2．1 MOFs分离膜的制备

1．2．2 MOFs分离膜的气体分离应用

1．3二维超薄膜材料

1．3．1二维超薄膜材料的种类和结构

1．3．2二维纳米材料的制备方法和研究现状

1．4本文主要研究思路

2 氧化锌纳米阵列棒诱导生长ZIF-14膜及气体渗透性能

2．1 引言

2．2实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 ZnO溶胶的配制

2．2．3多孔载体表面ZnO纳米阵列棒的引入

2．2．4 ZIF-14膜的合成

2．2．5 ZIF-14膜的表征

2．3结果与讨论

2．3．1 ZnO纳米阵列棒合成

2．3．2 ZnO纳米阵列棒的活化处理

2．3．3 ZnO纳米阵列棒诱导ZIF-14膜的形成

2．3．4气体渗透测试

2．4本章小结

3 ZnO自转化制备ZIF-8膜及水为溶剂的自转化成膜液的循环利用

3．1 引言

3．2实验部分

3．3．1 ZnO纳米棒阵列棒自转化为ZIF-8膜的形成与表征

3．3．2 ZnO纳米棒自转化配体溶液的重复利用优化考察

3．3．3 ZIF-8的气体渗透及稳定性测试

3．3．4 ZnO纳米阵列自转化ZIF-8膜的机理探讨

3．4本章小结

4 ZnO纳米层自转化调控生长直接形成二维纳米片结构ZIF膜

4．1 引言

4．2实验部分

4．2．1 在多孔陶瓷管载体上引入氧化锌纳米粒子以及氧化锌纳米阵列

4．2．2 ZIF纳米片式膜的制备

4．2．3纳米片式膜的表征及气体渗透测试

4．3结果与讨论

4．3．1 ZnO纳米粒子转化为ZIF纳米片的表征

4．3．2 ZnO纳米粒子制备的ZIF纳米片式膜的调控生长

4．3．3 不同层数和厚度的纳米片膜的调控生长

4．3．4 ZnO纳米阵列棒制备取向为(223)的ZIFs纳米片膜

4．3．5气体渗透测试

4．4本章小结

5 氧化石墨烯(GO)限域和诱导生长高取向二维纳米片ZIF膜

5．1 引言

5．2实验部分

5．2．1 ZnO纳米层的制备

5．2．2氧化石墨的制备

5．2．3纳米片式膜的制备

5．3结果与讨论

5．3．1取向纳米薄膜的形成和表征

5．3．2 GO层的作用和定向纳米片膜的生长机理

5．3．3取向纳米片膜的气体渗透性能

5．4结论

6 结论与展望

6．1结论

6．2创新点

6．3展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介