基于高内相乳液模板法成型加工金属有机框架/聚合物复合材料

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金属有机框架材料(MOF)是一类高比表面积、高孔隙率的新型多孔材料,在吸附、分离、催化等工业领域具有广阔的应用前景。但是MOF是一种粉体材料,难以处理和回收;堆积的粉末会导致反应器内压降过大,容易堵塞反应器和管道,这些问题将其应用限制在实验室规模。通过一些特殊手段将MOF加工或组装成具有一定尺寸和大小的宏观MOF/聚合物复合材料,可以有效弥补MOF在实际应用过程中的短板,同时提升MOF的传质性能。但是,目前MOF/聚合物复合材料的制备方法仍存在MOF分布不均、制备过程复杂、MOF利用率低等问题,制约了其快速发展。复合材料结构的精确控制以及提高MOF在复合材料中的含量是实现MOF在工业领域大规模应用的关键。高内相乳液(HIPE)模板法被广泛的用于负载各类功能纳米材料。因此本论文提出通过HIPE模板法,通过复配表面活性剂策略,制备了 一系列MOF/聚合物复合材料。通过调整工艺,实现复合材料结构优化;通过MOF纳米粒子在油水界面的自组装,大幅提高MOF的利用效率。有效解决了制备MOF复合材料的瓶颈问题。研究分为以下三个部分:(1)通过MOF和表面活性剂复配,制备了通孔型MOF/poly-HIPE复合材料,并将复合材料应用于二氧化碳吸附。复配表面活性剂策略实现了复合材料孔结构的精确调控,从而显著提高了复合材料的传质速率。(2)采用表面活性剂复配策略,首次制备了 MOF稳定的油包水型(W/O)HIPE。系统地研究了 MOF@poly-HIPE材料中MOF含量对于复合材料的孔腔结构、热稳定性、机械性能和MOF可达性的影响。在此基础上制备了 MOF/PS poly-HIPE复合材料,该材料的机械强度得到提升,MOF的可达性最高可达80%。(3)通过将界面组装法与原位生长法结合,设计无定型MOF/金属氧化物纳米粒子稳定的水包油(O/W)HIPE,并将其用于制备高负载的MOF块材。解决了 HIPE模板法导致的MOF含量过低问题,得到了低密度、高表面积、高MOF含量、机械强度良好的MOF块材。将块材应用于催化Knoevenagel反应,其表现出良好的催化性能和长期使用能力。
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