金属有机骨架的功能化及其对二氧化碳捕获及转化性能的研究

摘要

随着工业的迅速发展和化石燃料的大量使用，CO2排放量逐年增高，全球温室效应极度加剧，严重制约了经济和社会的发展，因而解决CO2温室效应的问题迫在眉睫。而从另一个角度看，CO2还是一种储量丰富、价格低廉的C1资源，其作为环境友好的介质和原料在燃料、材料合成及化工产品的生产中有广泛的应用。因此，研发高效的CO2捕获剂和转化剂以实现温和条件下CO2的高效捕获与转化成为当前一大研究热点。
　　功能化金属有机骨架结构（MOFs）具有比表面积高、结构可调和孔环境可修饰等优点，在气体吸收、催化转化等领域中显示出了诱人的应用前景。针对部分MOFs自身在CO2吸附、催化转化的利用效率较低这一问题，在合成MOFs的过程中掺杂功能有机材料、引入混合配体或者直接用特定基团修饰MOFs，制得功能多样化的MOFs成为了当前的一大研究热点。功能化MOFs既保留了MOFs原有的优点，又具有人们需求的功能。
　　基于以上现状，本文主要通过合成中使用功能性配体和研磨浸渍的方法制备了两种不同功能化的MOFs材料，通过XRD、N2吸附-脱附、FT-IR、SEM、TGA、核磁等表征手段对两种功能化MOFs的结构及组成进行了确证，并对其CO2吸附催化性能进行了研究。具体的研究内容及结果如下：
　　(1)混合配体功能化ZIF-8的制备及其吸附CO2的性能研究
　　采用在原有合成过程的基础上加入一种带氨基的富氮类配体制备功能化ZIF-8材料，并考察其作为吸附剂对CO2的选择性吸附性能。新的配体参
　　与到了ZIF-8合成中的配位过程，因此，功能化的ZIF-8除了保持原有的高稳定性外，引入了较多可吸附CO2的含氮位点。研究发现，在温和条件下功能化ZIF-8表现出优越的CO2吸附性能。在常压下CO2/N2混合气氛围中，功能化的ZIF-8对CO2的最佳吸附温度为55℃，最大吸附量为5.83mmol·g-1，在其他吸附温度下，对CO2的吸附量仍大于3mmol·g-1；而ZIF-8自身CO2的吸附量仅为2.0mmol·g-1。由此可见，功能化的ZIF-8与ZIF-8相比，在CO2吸附方面有了极大的提升，其吸附量在已知的MOFs材料中也是比较高的。
　　(2)氨基离子液体功能化MIL-101的制备及其对CO2催化转化的性能研究
　　采用研磨-浸渍法制备了氨基离子液体功能化的MOFs（Mim-NH2/MIL-101），并考察其CO2和环氧氯丙烷环加成反应中的催化性能，研究表明，Mim-NH2/MIL-101在无溶剂条件下可温和高效地催化CO2与环氧氯丙烷的环加成反应，其中在0.5MPa,50℃,12h条件下达到最佳效果，转化率和选择性分别为96％和98%。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1引言

1.2 CO2捕获与转化的意义及现状

1.3金属-有机骨架结构（MOFs）

1.3.1概述

1.3.2 MOFs的研究进展

1.3.3 MOFs的合成方法

1.3.4 MOFs在CO2捕获和催化转化中的应用

1.4功能化的MOFs

1.4.2 MOFs功能化的方法

1.4.3 功能化MOFs在CO2捕获和催化转化中的应用

1.5本论文的研究思路和主要研究内容

第二章 混合配体功能化ZIF-8的制备及其吸附CO2的性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验药品与仪器

2.2.2 ZIF-8的制备[14]

2.2.3 功能化ZIF-8的制备

2.2.4功能化ZIF-8的表征

2.2.5 CO2吸附实验

2.3 结果与讨论

2.3.1 功能化ZIF-8的表征结果分析

2.3.2 功能化ZIF-8对CO2的吸附性能分析

2.3.3 功能化ZIF-8对CO2的吸附机理分析

2.4 本章小结

第三章 氨基离子液体功能化MIL-101的制备及其对CO2催化转化性能的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验药品与仪器

3.2.2 氨基离子液体功能化MIL-101的制备

3.2.3 Mim-NH2/MIL-101的表征

3.2.4 CO2与环氧氯丙烷的环加成反应

3.3 结果与讨论

3.3.1 Mim-NH2/MIL-101的表征结果分析

3.3.2 Mim-NH2/MIL-101对CO2的催化转化性能分析

3.3.3 Mim-NH2/MIL-101催化转化CO2的机理分析

3.4 本章小结

第四章 总结与展望

4.1总结

4.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文