基于埃洛石为模板的棒状金属有机框架复合纳米材料的合成及性能研究

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金属有机框架是人工合成的具有高比表面积、高孔隙率的多孔材料,该材料在储能、催化、传感、环境治理等领域都有所应用。埃洛石是自然界中广泛存在的一种天然纳米管状材料,由于其独特的管状结构以及高比表面积和众多的改性位点,常作为模板应用于很多领域。聚多巴胺常用于多种材质表面的多功能涂层的构建。本研究通过溶液氧化聚合法,以埃洛石为原材料,在埃洛石表面包覆一层聚多巴胺制备得到HNT@PDA,并对产物进行表征,证明合成聚多巴胺在纳米尺度上的成功包覆。同时进行了吸附有机污染物的应用研究,达到如下结果:(1)通过溶液氧化聚合法,在埃洛石与多巴胺盐酸盐浓度为2 mg/m L时,合成具有聚多巴胺壳层的纳米管状模板。以合成的模板为基础,通过超声辅助搅拌法,在Zn(NO3)2浓度为10 mmol/L,2-甲基咪唑浓度为20mmol/L时,在纳米棒模板表面成功生长ZIF-8。合成的模板,还可通过水热合成法,控制Zr Cl 4为5 mmol/L、对苯二甲酸位5 mmol/L时,在模板表面生长Ui O-66。这两种合成方法的成功证明了包覆有聚多巴胺壳层纳米棒状模板的通用性,该模板具有制备简便、经济环保的优点。(2)在生长MOF材料后,MOF涂层由密集堆积MOF颗粒以及熔融的MOF纳米颗粒两种形态堆积而成。这些堆积包覆在纳米管表面的MOF颗粒,为复合材料在结构上提供了大孔(>50 nm)和由这种分级结构衍生的介孔(2-50 nm)和微孔(<2 nm),同时增强了机械稳定性。(3)纳米管上包覆的聚多巴胺层,通过与金属的螯合作用,将金属离子锚定在所制备的纳米管模板的表面。由于MOF是由金属离子与有机配体通过配位键作用合成的高度有序的晶体。以锚定在纳米管模板表面的金属离子作为种子,再将其置于含有有机配体的体系中,使得MOF能够在纳米管上生长。(4)HNT@PDA@ZIF-8对水中对苯二酚、四环素、罗丹明B染料进行吸附应用探究。与单纯有机金属框架的吸附量对比,本研究所合成的复合纳米材料对罗明B的吸附效果上有明显的优势。对复合材料吸附罗丹明B的过程进行了研究,HNT@PDA@ZIF-8对罗丹明B的吸附更接近Temkin模型,说明HNT@PDA@ZIF-8与罗丹明B之间相互作用力导致吸附剂表面所有分子的吸附热与覆盖情况呈线性递减关系,且结合能是均匀分布的,且整个吸附过程为放热吸附。HNT@PDA@ZIF-8对罗丹明B的吸附过程符合伪二阶动力学方程,说明HNT@PDA@ZIF-8对罗丹明B的吸附过程受化学吸附机理的控制。
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