基于磷腈框架材料的合成与性能研究

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框架材料如共价有机框架材料(COFs)和金属有机框架材料(MOFs)等因具有结构可控、孔隙可调、结晶性高、比表面积大等优点,在气体储存与分离、催化、电子器件、生物医学与能源等领域具有出色的应用前景。目前,框架材料的研究主要集中在COFs和MOFs的合成及其性能研究方面,大部分均以有机环状化合物作为框架基材;而对以无机环为构筑单元的框架材料的研究并不多。磷腈环是一种典型的无机六元环,环骨架只由磷与氮元素组成,具有特殊的化学特性。本文选用六氯三聚磷腈(PCT)作为反应单元,通过合理的化学设计制备了三种的无机磷腈框架材料:N3P3、Na3(PO2NH)3·4H2O和KNa2(PO2NH)3·2H2O,并结合结构特点对其进行了相应的性能研究,主要内容如下:一、根据PCT活泼的化学性质,以紫铜片为反应基底和催化剂,通过界面聚合反应制备无机二维片层状磷化氮(N3P3)材料。经过对照实验,我们发现N3P3的最佳合成温度为180℃,反应时间为36 h。该合成方法简单、高效,反应过程中会伴随着少量铜盐的产生。通过详细的表征,发现N3P3为二维片层堆叠形貌以及以磷腈环为构建单元的晶体结构。对其磁学性质测试发现,N3P3具备弱铁磁体性质,其在50 K~300 K的温度范围表现出居里外斯行为,居里转变温度为7.5 K;在1.8 K时具有典型的磁滞现象,矫顽力(Hc)和剩余磁化强度(Mr)分别为375 Oe和0.0657 emu g-1,这使得N3P3在自旋电子领域具有一定应用前景。二、利用PCT可水解的特性,采用双溶剂体系(DMF/H2O)对其进行碱性水解。NaOH的加入一方面可以促进PCT水解,另一方面可以与水解产物发生配位反应,析出Na3(PO2NH)3·4H2O框架材料。通过优化实验,我们发现当油水比为1/1,温度为40℃,单体摩尔比(PCT/NaOH)为1/6时,晶体的析出速度最快,质量最高,并且可大规模制备。该晶体为单斜晶系,由于其具有优异的结晶性和不对称的晶型结构,它可以作为压电活性填料提升复合膜的压电性能。将Na3(PO2NH)3·4H2O与聚偏氟乙烯(PVDF)共混复合得到的电纺膜(PNONa-PVDF)表现出优秀的压电性能。当晶体加入质量为10%时,PNONa-PVDF膜的压电输出比纯PVDF膜高3.89倍。由该复合膜制备的压电纳米发电机可有效收集能量,其最大功率密度为0.5μW cm-2。此外,与常规压电单晶和压电陶瓷相比,Na3(PO2NH)3·4H2O具有无重金属元素、制备简单、成本低等综合优势。三、建立在Na3(PO2NH)3·4H2O晶体的合成方法上,将碱源由NaOH改为KOH。通过优化条件,发现加入Na Cl作为辅助时,可以制备出双金属KNa2(PO2NH)3·2H2O框架材料。KNa2(PO2NH)3·2H2O的晶型结构属于三斜晶系,将其以2.5%质量比与聚偏氟乙烯(PVDF)复合得到的电纺膜(PNONaK-PVDF)同样可以提升压电性能输出,与纯PVDF膜相比提高了60%。总之,本文以PCT为基础制备了三种纯无机磷腈框架材料,并对其性能进行了探索与研究。这为拓展无机框架材料的种类、合成设计和应用方向提供了新的思路,有利于无机框架材料的发展。
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