基于多羧酸配体的金属有机骨架材料：合成、结构及气体吸附分离性能

摘要

金属有机骨架材料(MOFs)，也称之为多孔配位聚合物，由金属离子或金属簇与多齿有机桥联配体通过金属配位键自组装形成的。和传统多孔材料相比，MOFs具有大的比表面积和孔体积、孔径大小和形状可调节、孔表面可功能化修饰等特点，使其在分子识别、异相催化、药物运载、和气体存储与分离方面有良好的应用前景。
　　本文设计合成了羧酸类有机配体，在溶热条件下与金属铜离子反应构筑MOFs材料。用单晶X一射线衍射技术分析结构，用红外、热重、粉末X一射线衍射等进行基本表征，并对其气体存储与分离性能进行了研究。
　　1、设计合成了5个不同官能团修饰的线性双（间苯二甲酸）有机配体H4L1、H4L2、H4L3、H4L4和H4L5，并成功制备了它们相应的NbO-类型MOFs材料(ZJNU-34(NH2)、ZJNU-35(CH3)、ZJNU-36(NO2)、ZJNU-37(F)、ZJNU-38(CF3)),系统分析比较了它们的乙炔(C2H2)吸附性能。研究结果表明:与母体化合物NOTT-101相比，在有机配体上引入给电子基团提高了MOFs的C2H2吸附量，然而引入吸电子基团降低了MOFs的C2H2吸附量。在298K和1atm下，ZJNU-34(NH2)具有最大的C2H2吸附量，单位质量内C2H2吸附量高达193.8cm3(STP)g-1。该项工作揭示了有机官能团对C2H2吸附性能的影响规律，为设计合成高性能C2H2存储MOFs材料提供了有效思路。
　　2、设计合成了6个基于萘的双（间苯二甲酸）位置异构体H4L6、H4L7、H4L8、H4L9、H4L10和H4L11，以它们为配体在溶热条件下成功地构筑了7个铜基MOFs材料(ZJNU-71、ZJNU-72、ZJNU-73、ZJNU-74、NOTT-103、ZJNU-77、ZJNU-78)。根据单晶X一射线结构分析，这些MOFs可以分为两类:ZJNU-71、ZJNU-72、ZJNU-73、ZJNU-74和NOTT-103属于配体异构衍生的MOFs异构体，而ZJNU-77和ZJNU-78属于超分子异构体。据此，系统地研究了配体异构衍生的MOFs异构化和超分子异构化对C2H2存储以及分离纯化性能的影响。该项工作阐明了配体异构衍生的MOFs异构化以及超分子异构化对MOFs气体吸附性能的影响规律，为设计合成高性能MOFs材料提供了有价值的指导。
　　3、设计合成了6个基于萘的不同烷氧基功能化的不对称双（间苯二甲酸）配体H4L6、H4L12、H4L13、H4L9、H4L14和H4L15。在配体H4L6、H4L12和H4L13中，两个间苯二甲酸有机亚结构单位连接在中间萘的1，3位置，而在配体H4L9、H4L14和H4L15中，两个间苯二甲酸有机亚结构单位连接在中间萘的1，6位置。在溶剂热条件下成功地构筑了它们的铜基MOFs(ZJNU-71、ZJNU-70、ZJNU-69、ZJNU-74、ZJNU-75、ZJNU-76)，系统地研究了它们的C2H2、CO2和CH4吸附性能。该项工作不仅揭示了这六个MOFs在C2H2/CH4和CO2/CH4分离中展现了诱人的应用前景，而且阐明了烷氧基官能团对上述气体分离性能的影响规律。烷氧基官能团对气体吸附量和吸附选择性的影响取决于母体化合物。

目录

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2金属有机骨架材料简介

1．2．1金属有机骨架材料的发展历史

1．2．2金属有机骨架材料的构筑单元

1．2．3金属有机骨架材料的配体设计

1．3金属有机骨架材料的气体存储与分离性能

1．3．1 C2H2的存储

1．3．2 C2H2／CH4和CO2／CH4选择性分离

1．4选题依据

第二章不同官能团修饰的NbO-类型MOFs系列的合成及乙炔吸附性能

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1表征及测试方法

2．2．2有机配体的合成

2．2．3金属有机骨架材料的合成

2．3结果与分析

2．3．1晶体结构与表征

2．3．2孔性参数表征

2．3．3 C2H2吸附性能

2．3．4 C2H2／CH4选择性分离

2．4本章小结

第三章萘基双(间苯二甲酸)配体衍生的MOFs异构体系列的合成及吸附分离性能

3．1引言

3．2实验部分

3．2．2有机配体的合成

3．2．3金属有机骨架材料的合成

3．3结果与分析

3．3．1晶体结构与表征

3．3．2孔性参数表征

3．3．3配体异构衍生MOFs异构体的C2H2吸附性能比较

3．3．4超分子异构体对C2H2／CH4和CO2／CH4选择性吸附分离性能比较

3．4本章小结

第四章烷氧基修饰不对称四羧酸配体构建的MOFs系列的合成及吸附分离性能

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1表征及测试方法

4．2．2有机配体的合成

4．2．3金属有机骨架材料的合成

4．3结果与分析

4．3．1晶体结构与表征

4．3．2孔性参数表征

4．3．3 ZJNU-69、ZJNU-70、ZJNU-71的C2H2／CH4和CO2／CH4选择性吸附分离性能比较

4．3．4 ZJNU-74、ZJNU-75、ZJNU-76的C2H2／CH4和CO2／CH4选择性吸附分离性能比较

4．4本章小结

第五章总结与展望

5．1总结

5．2展望

参考文献

附录

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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