担载客体分子的金属有机骨架材料的制备及其质子传导性能的研究

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金属有机骨架(MOFs)因其具有高的孔隙率、大的比表面积以及可设计的框架结构等优点,而在质子传导材料领域备受关注。利用MOFs的孔隙特点,可在其孔中引入不同种类的功能位点或客体分子作为质子载体,从而构筑理想的氢键网络以实现MOFs材料的高质子传导性能。目前,MOFs中客体的封装大多采用的是溶液或气相浸渍法,将客体分子引入到预先合成的主体框架中。尽管通过这些方法已经制备出了许多担载客体分子的MOFs复合材料,但它们仍存在一些局限性,例如客体分子的大小受孔径开口尺寸的限制,客体分子的载入需要较长的时间以及材料的制备需要多步操作(MOFs的合成、MOFs的活化和客体的引入)等。机械化学合成具有快速、简单、经济、绿色和高通量的特点,它是一种新型、环保和高效的MOFs合成方法。在本文,我们通过机械化学合成法在合成MOFs的同时,将功能性客体分子封装到MOFs中,制备了两个系列的复合材料,担载客体分子的NENU-3(NENU-3=[Cu12(BTC)8(H2O)12][H3PW12O40]·n H2O,BTC=1,3,5-苯三甲酸)以及SA@Ui O-66-NH2(SA=氨基磺酸,Ui O-66-NH2=Zr6O4(OH)4(BDC-NH2)6·n H2O,BDC-NH2=2-氨基对苯二甲酸)。具体研究内容如下:1、通过机械化学合成法,在合成MOF的同时,将一系列客体分子,咪唑、氨甲基膦酸、尿素和氨基磺酸,分别封装到MOF NENU-3的孔中。该类复合材料的制备在几分钟内便可一步完成,这是一种简单且绿色的合成方法。由于封装的客体分子含有质子供体或质子受体基团,所以获得的担载客体分子的NENU-3复合材料都显示出显著增加的质子电导率,相较于NENU-3母体,质子电导率均提高了2–3个数量级。该项研究为快速合成担载客体分子的MOFs复合材料提供了一个新的思路。2、利用配体官能化和引入客体分子两种设计策略,通过机械化学合成法制备了复合材料SA@Ui O-66-NH2。引入的客体分子SA既能作为质子源又能提供多个质子跳跃位点(氨基上的氮原子和磺酸基上的氧原子),同时MOF骨架上的基团(氨基上的氮原子、锆氧簇上的氧原子)以及通道中的水分子也含有多个质子跳跃位点,从而在MOF的孔道内形成了丰富且连续的氢键网络。在358 K和95%相对湿度(RH)条件下,SA@Ui O-66-NH2的质子电导率可以达到1.42×10-2S cm-1。同时,该复合材料具有良好的结构稳定性和质子传导耐久性,是一种优异的质子传导材料。
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