锌、铜金属有机骨架材料的电化学合成及其电催化性能研究

摘要

金属有机骨架材料(Metal-organic frameworks，MOFs)是一种由金属离子和有机配体通过配位键组装的无机-有机杂化功能材料。由于其灵活的多孔性、大的比表面积、不饱和配位键等特性，使得近年来在分子识别、磁学、光致发光、药物传递、气体储存、催化等方面有广泛的应用。目前常用的合成方法有水热/溶剂热法、扩散法、微波合成和超声合成等，这些方法在不同程度上存在高温高压高耗能、合成工艺复杂、对反应设备和环境要求苛刻等问题。为了避免上述这些方法中存在的问题，本论文提出一种常温常压洁净的电化学合成新思路，主要研究了水溶液和离子液体体系中锌、铜金属有机骨架材料电合成过程的动力学规律，并将其应用在电催化水分解制氢以及DNA检测领域。主要内容如下:
　　1.利用电化学合成方法成功地在水溶液体系中合成出了锌（丙烯酰胺-co-丙烯酸）[记作Zn(AM-co-AA)]金属有机配位聚合物。通过原子吸收（Atomic absorption spectrometry, AAS）、扫描电镜(Scanning electronmicroscopy, SEM)、红外(Infrared，IR)、热重(Thermal gravimetric，TG)、X-射线衍射(x-ray diffraction，XRD)等手段对其进行了表征，探讨了合成时间、引发剂等因素对反应过程的影响，通过循环伏安、极化曲线等电化学手段考察了其动力学规律，并对该电极过程的反应机理进行了详细的探讨。实验结果表明:
　　(1)在常温和硝酸铈铵引发剂条件下电合成Zn(AM-co-AA)金属有机配位聚合物的最佳反应时间为1.5 h，在此条件下合成的Zn(AM-co-AA)金属有机配位聚合物呈现松散的球状结构，直径大约0.5微米;XRD和IR结果均显示金属离子与配体已经键合;通过乌氏粘度计计算出该化合物的分子量为273275，说明丙烯酰胺和丙烯酸配体发生了交联;TG结果表明该产物的热稳定性温度范围是267-395℃，说明该方法合成的Zn(AM-co-AA)金属有机配位聚合物具有良好的热稳定性。
　　(2)通过对反应体系中的电化学行为进行测试和计算，确定了该电极过程的反应历程，得出该反应的阴、阳极表观传递系数分别为2.33和3.24。该电极过程的速率控制步骤为Zn2+H2C=CH| CONH2+·OH+Zn2++e+Ce4+-→ HO·CH3—Zn2+|CH|CONH2+Ce3+。
　　其中自由基对水溶液体系中电合成金属有机配位聚合物的反应过程起至关重要的作用。
　　2.在1-丁基-3-甲基咪唑氯盐和1-丁基-3-甲基咪唑溴盐两种离子液体体系中以对苯二甲酸(1，4-B enzenedicarboxylic，H2BDC)为有机配体，Zn2+为金属中心离子，分别电合成出金属有机骨架材料MOF-5(Cl)和MOF-5(Br)。通过SEM、XRD、IR、EDS、TG等手段对其表面形貌、物相、结构特征和热稳定性进行表征，采用循环伏安(Cyclic voltammetry, CV)、交流阻抗(ACimpedance)、极化曲线(Tafel)等方法考察了该电极过程的动力学规律，并比较了传统溶剂热法和电化学合成法得到的MOF-5在电催化水分解制氢反应中的性能差异。研究结果如下:
　　(1) SEM结果表明在离子液体1-丁基-3甲基咪唑氯盐体系中合成出的MOF-5(Cl)呈现球状结构，直径大小约为2微米，而在离子咪唑溴盐体系中合成的MOF-5(Br)却呈现为尺寸均匀的花朵状形貌，直径大小约为2微米，说明离子液体的种类会对电合成MOF样品的形貌产生很大的影响。XRD和IR结果显示合成出的MOF-5(Cl)和MOF(Br)均与文献报道一致，进一步说明了电化学法在离子液体体系中成功地合成出了MOF-5材料。TG结果显示MOF-5(Cl)和MOF-5(Br)的最高热稳定温度为380C。N2吸附结果表明MOF-5(Cl)和MOF(Br)的BET比表面积分别为627.3m2·g-1和914.7m2·g-1，电合成方法不会影响MOFs的多孔性。反应体系的CV曲线显示在离子液体1-丁基-3甲基咪唑氯盐体系中发生的是完全不可逆的反应，在离子液体1-丁基-3甲基咪唑溴盐体系中发生的是可逆反应。
　　(2)确定了离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯盐体系电化学合成MOF-5过程中阴极的电还原反应机理。循环伏安结果表明在阴极发生的是一个不可逆的反应，还原峰电流与v1/2成明显的线性关系，表明该反应属于扩散控制。交流阻抗谱图显示离子液体与有机配体的协同作用可以促进反应电极上电子的转移，并且进一步证明该过程属于扩散控制过程。通过极化曲线和电化学理论的推导，确定了阴极还原反应历程，其中ZnCl++e-→ ZnCl为速控步骤。
　　(3)将溶剂热法和电合成法得到的MOF-5和MOF-5(Br)分别用于电催化水分解制氢体系，结果表明，离子液体体系中电合成出的MOF-5(Br)的循环伏安曲线有明显的氢的氧化脱附峰和氧化还原峰，说明电化学法合成MOF-5(Br)具有催化水分解产氢的能力。
　　3.以均苯三甲酸(1，3，5-benzenetricarboxylate，H3BTC)为有机配体，Cu2+为金属中心离子，在1-丁基-3-甲基咪唑氯盐离子液体体系中成功地用电化学法合成出了金属有机骨架材料Cu-BTC，确定了合成反应的最佳工艺参数，并采用XRD、SEM、EDS、IR、TG和孔径分析等手段对产物的结构、形貌特征、热稳定性和孔结构进行了表征，并通过循环伏安、交流阻抗以及极化曲线等电化学方法对其合成过程及其电催化水分解制氢性能进行了系统的探讨。研究结果显示:
　　(1)在离子液体体系中电合成Cu-BTC的最佳工艺参数分别为:电流密度0.025 A·cm-2，温度45℃，反应时间2 h;SEM表明Cu-BTC呈现均匀的八面体形貌，直径大小约为2微米;XRD和IR结果显示Cu-BTC与文献报道一致，说明了电化学法在离子液体体系中成功地合成出了Cu-BTC材料;TG说明Cu-BTC的最高热稳定温度为310℃;孔结构分析显示电合成Cu-BTC的BET比表面积为753.8 m2·g-1，孔容为0.051 cm3·g-1，孔径分布主要集中在0.98 nm，说明通过电化学法在离子液体体系中合成的Cu-BTC是微孔材料。
　　(2)将Cu-BTC碳糊电极作为电催化分解水制氢反应的阴极，交流阻抗和极化曲线共同表明，Cu-BTC催化水分解制氢反应是一个扩散控制的可逆反应，反应的阴、阳极表观传递系数分别为0.9和1.2，控制步骤计量数为1;同时，循环伏安曲线显示在Cu-BTC/炭黑比例为2/1时的电极有明显的还原峰出现，并且还原峰电流密度是纯炭黑电极的16倍，说明Cu-BTC对催化水分解制氢反应具有很好的电催化活性。
　　4.将在1-丁基-3-甲基咪唑氯盐离子液体中电合成出的球状MOF-5(Cl)多孔材料与金纳米粒、DNA分子进行复合制备出生物电极，通过紫外-可见吸收(Ultraviolet-visible spectrum，UV-Vis)、SEM、TEM等手段对合成的Au纳米粒以及复合电极表面形貌进行表征，将复合电极制备成电化学传感器，同时对不同浓度目标DNA的传感器进行循环伏安、线性扫描、计时电流等电化学测定，确定电化学传感器的检出限和选择性。研究结果表明:
　　(1) SEM图显示壳聚糖层不会影响MOF-5的结构，制备的Au纳米粒的粒径为3-4 nm，TEM图显示在修饰了检测DNA后Au纳米粒的分散性更好。对以不同方式修饰结合Au纳米粒、检测DNA和MOF-5的玻碳电极进行CV测试，结果表明:Au NP修饰MOF-5-MGCE的电流强度(39.92μA)远大于Au NP-MGCE的电流(1.503μA)，说明MOF-5的多孔结构增加了氢吸附到Au NPs粒子表面的可能性，提高了Au纳米粒子对水合肼的电氧化能力。复合电极在水合肼中的氧化峰电流为58.03μA，远大于以其他方式构筑的生物电极的电流强度，说明MOF-5的骨架结构可以克服由于DNA隧道效应对Au纳米粒催化活性的抑制作用，实现电催化活性的最大化。
　　(2)对不同浓度目标DNA的电化学传感器进行循环伏安、线性扫描(Linear sweep voltammetry, LSV)、计时电流(Chronoamperometry, CA)等电化学测定，结果表明:随着目标DNA浓度的增加，电流逐渐增大;目标DNA浓度为1 pM时的电流12.55μA明显高于目标DNA浓度为0时的电流8.660μA，目标DNA浓度在1 pM-100 nM时与电流有良好的线性关系，最低检出限达到0.024 pM，说明MOF-5材料可以作为生物传感器用于检测低浓度的DNA;同时，通过对完全互补配对的DNA、碱基错配的DNA以及完全不互补配对DNA的检测，说明该DNA传感器具有良好的选择性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 金属有机骨架材料简介

1．2．1 MOFs材料金属离子和有机配体的种类

1．2．2 MOFs材料的结构特点

1．2．3 金属-有机骨架材料的应用

1．2．4 常见的MOFs材料种类

1．3 MOFs材料的主要合成方法

1．3．1 扩散法

1．3．2 水热(溶剂热)法

1．3．3 其他合成方法

1．4 电化学合成方法

1．5 离子液体

1．6．电 催化水分解制氢

1．7 低浓度DNA的检测

1．8 选题依据及研究内容

1．8．1 选题依据

1．8．2 研究内容

第二章 水溶液中电合成锌(丙烯酰胺-CO丙烯酸)金属有机配位聚合物及其机理研究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂与仪器

2．2．2 Zn(AM-CO-AA)金属有机配位聚合物的制备与表征

2．2．3 电合成机理

2．3 结果与讨论

2．3．1 原子吸收分析

2．3．2 形貌分析

2．3．3 物相分析

2．3．4 热稳定性

2．3．5 反应时间的影响

2．3．6 引发剂Ce4+的影响

2．3．7 电合成步骤的拟定

2．3．8 电极反应参数

2．3．9 确定电极反应过程

2．3．10 用表观传达系数论证电极反应机理

2．4 本章小结

第三章 离子液体中MOF- 5的电合成及其阴极反应动力学

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂和仪器

3．2．2 离子液体中MOF- 5的电合成

3．2．3 阴极反应动力学

3．2．4 电催化水分解制氢

3．3 结果与讨论

3．3．1 电合成MOF-5的形貌、物相和 稳定性分析

3．3．2 离子液体模板剂作用

3．3．3 电极过程的循环伏安行为

3．3．4 阴极反应动力学

3．3．5 MOF-5碳糊电极催化水分解制氢

3．4 本章小结

第四章 离子液体中电合成Cu-BTC及其催化产氢性能研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂和仪器

4．2．2 Cu-BTC的电合成与表征

4．2．3 Cu-BTC碳糊电极电催化水分解制氢

4．3 结果与讨论

4．3．1 合成过程的影响因素

4．3．2 Cu-BTC样品的形貌和物相分析

4．3．3 Cu-BTC的热稳定性和孑L结构分析

4．3．4 Cu-BTC碳糊电极的电催化产氢性能

4．3．5 Cu-BTC/炭黑比例对催化性能的影响

4．3．6 Cu-BTC电催化水分解制氢动力学

4．4 本章小结

第五章 MOF-5/AuNP复合电极的制备及其电催化DNA检测

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 实验试剂和仪器

5．2．2 实验原理

5．2．3 实验过程及操作

5．2．4 电化学传感器对DNA的响应

5．2．5 表征手段

5．3 结果与讨论

5．3．1 MOF-5玻碳电极修饰层表面形貌

5．3．2 Au纳米粒的分散性

5．3．3 DNA修饰Au纳米粒的电催化活性

5．3．4 电化学DNA生物传感器的循环伏安行为

5．3．5 电化学DNA生物传感器的线性伏安和计时电流行为

5．3．6 电化学DNA生物传感器检出限的确定

5．3．7 电化学DNA生物传感器的选择性

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 主要结论

6．2 本论文创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

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说明