柔性金属-有机框架的合成及吸附性能研究

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金属有机框架(metal organic frameworks,MOFs)材料是有机构筑单元和金属节点通过配位键结合构筑的结晶性多孔材料,具有结构的可设计性、孔环境可调控性和分子精准性的特点,使其在气体储存与分离、能源存储与转化、催化等领域具有潜在应用前景。柔性金属有机框架是MOFs家族中重要的一种类型,可对多种物理和化学刺激做出响应,具有其它固体材料所不具备的特点。这种刺激响应在微观结构上表现为局部分子构象和/或晶胞大小及其对称性的改变,而在宏观性质上表现为柔性MOFs的动态行为可控,因而在气体储存与分离等方面具有突出的优势,受到人们广泛的关注。本论文合成了3例结构不同的柔性MOFs,分别对其动态结构和气体的吸附性能展开了研究,主要研究结果如下:(1)采用固相合成法将[Mn(INA)2(H2O)4]在不同温度下进行动力学真空活化,制备得到两例化学组成相同,结构不同的柔性MOFs(Mn-MOF-a与Mn-MOF-b)。分别对其进行了结构表征,以及CO2、CH4、C2H4、C2H6、C3H6和C3H8气体吸附脱附行为测试,发现此两例MOFs均不吸附CH4,对于CO2、C2H4、C2H6、C3H6和C3H8展现为台阶状吸附,进一步研究发现这些气体的分子尺寸均大于MOFs的孔道尺寸,可以推定此两例配合物均为柔性MOFs。令人感兴趣的是,对于不同气体的吸附,Mn-MOF-b总是Mn-MOF-a吸附量的2-3倍。(2)在课题组之前合成ST-631的基础上,通过改变金属盐的类型及延长反应时间,提高了ST-631晶体颗粒的大小,达到了分离杂质的目的,并找到了大量合成ST-631的方法。在进行ST-631的溶剂交换实验中,当用DCM进行溶剂交换后,PXRD测试结果显示ST-631的衍射峰发生了变化。而对ST-631进行活化后,发现活化后的样品呈无定型态,对活化后的ST-631进行了不同的气体以及蒸汽的吸附-脱附测试,ST-631对水蒸汽的吸附量最高。可利用ST-631对水蒸汽有较高吸附量的特点,开发出需要捕获和释放水的吸附剂。
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