ZIF-8/GO复合材料对含水甲苯吸附性能探索及其光学性质的研究

摘要

作为在化工行业有着广泛用途的重要原料，甲苯(Toluene，C7H8)在工业生产排放的废气中大量存在。然而，工业废气中往往含有水蒸气，影响吸附剂对目标气体的吸附。如何能在高湿度的尾气中有效的去除甲苯，一直是学者们研究的热点。金属有机骨架材料(Metal Organic Frameworks，MOFs)是一种有着周期性网状三维结构的配位聚合物，具有大小可调的孔径、巨大的比表面积和较大的孔隙率，使得MOFs材料在气体吸附方面有着良好的发展前景。作为MOFs的族系材料，沸石咪唑酯骨架多孔材料(Zeollitic Imidazolate Frameworks，ZIFs)在具有MOFs优良性质的同时，有着更好的化学稳定性。氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)是石墨烯经氧化过程得到的，它的表面存在大量含氧官能团，这些官能团可以为其与MOFs材料的复合提供大量的结合位点，从而使得氧化石墨烯成为MOFs生长的良好平台。因此，制备MOFs/GO复合材料有望得到性质优越的吸附剂。
　　本文以甲醇为溶剂，在常温下制备了ZIF-8晶体材料和不同氧化石墨烯组分的ZIF-8/GO复合材料。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热重分析(TGA)、扫描电子显微镜(SEM)和比表面积(BET)测试对所制备的样品进行了表征分析，测试得到的数据表明复合材料的比表面积均小于纯ZIF-8，并且其表面形貌和比表面积受氧化石墨烯的含量调控。ZIF-8/GO复合材料内部有着二者协同效应的存在，复合材料同时具有ZIF-8和氧化石墨烯的优点。此外，对ZIF-8和复合材料进行了光致发光性能的测试，发现ZIF-8发光光谱峰在450nm左右而具有相似谱型的复合材料的发光强度很弱，这为实验室后期MOFs传感器的研究奠定了基础。
　　利用合成出的ZIF-8和ZIF-8/GO复合材料作为吸附剂，进行了在相对湿度为55％下的甲苯气体吸附穿透实验，从而得到了不同材料对甲苯的吸附穿透曲线。实验结果表明，随着复合材料中氧化石墨烯的增加，甲苯吸附量显示出先上升后下降的趋势，ZG-4具有最高的吸附量116mg/g，相比于纯净的ZIF-8增加了19％。而进一步在不同湿度下的甲苯吸附实验表明，水蒸气的存在对甲苯吸附的确存在负面影响，但即使在80％的高湿度下，复合材料的吸附量仍旧高于ZIF-8。除此之外，复合材料的循环吸附实验证明了材料具有良好的重复利用能力。以上结果表明，ZIF-8/GO复合材料在较高湿度的条件下仍是一种吸附甲苯气体的有效吸附剂。

目录

声明

致谢

摘要

序言

1 引言

2．1金属有机骨架材料

2．1．1金属有机骨架材料的简介

2．1．2沸石咪唑酯骨架材料

2．1．3金属有机骨架材料的合成方法

2．1．4金属有机骨架材料的发展历程

2．2石墨烯与氧化石墨烯的简介和研究进展

2．2．1石墨烯简介

2．2．2氧化石墨烯简介

2．2．3氧化石墨烯的合成

2．2．4氧化石墨烯材料的应用

2．3有机废气及其吸附处理

2．3．1挥发性有机化合物

2．3．2气体吸附的定义和分类

2．3．3 吸附剂

2．3．4吸附等温线

2．3．5气体吸附的测定方法

2．4金属有机骨架材料复合氧化石墨烯的研究进展

2．4．1 金属有机骨架材料／氧化石墨烯复合材料的合成

2．4．2金属有机骨架材料／氧化石墨烯复合材料在吸附上的应用

2．5本课题的研究意义和主要内容

2．5．1本课题的研究意义与创新点

2．5．2本课题的主要研究内容

3实验材料的合成与表征

3．1实验仪器与材料

3．1．1实验所用的仪器

3．1．2实验所用的药品

3．2实验材料的制备

3．2．3材料的结构与光学性质表征

3．2．4吸附实验装置

3．3材料的结构表征分析

3．3．1 X射线衍射(XRD)分析

3．3．2傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析

3．3．3热重分析(TGA)

3．3．4扫描电子显微镜(SEM)分析

3．3．5 比表面积与N2吸附等温曲线分析

3．4材料的光学性质研究

3．4．2光致发光光谱的分析

3．5本章小结

4．1吸附性能研究

4．1．1 ZIF-8和ZG-X对水蒸气存在下甲苯的吸附

4．1．2不同湿度对吸附的影响

4．2 ZIF-8／GO复合材料的循环利用性能

4．3本章小结

5结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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