刺激响应型MOF材料的设计合成及其光催化CO2还原性能研究

来源 :安庆师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhhy0822
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随着社会的快速发展,人们对能源的需求不断增加。如今,环境问题和资源短缺已成为人类社会急需解决的问题。光催化还原CO2被认为是解决当前问题的方法之一。通过对CO2的吸收和转化,可以有效减轻温室效应的影响,也可以产生一系列高附加值的多碳化合物。到目前为止,研究者们已经将多种不同的材料应用于光催化CO2还原反应。其中,金属有机框架(Metal Organic Frameworks,简称MOFs)作为二十多年来新兴的无机有机杂化材料,被认为是一种非常有前景的光催化剂。本论文的研究工作主要包括以下三部分内容:1、利用柔性的三羧酸配体和4,4’-联吡啶在溶剂热条件下合成了一个含未配位羧基的二维MOF。通过溶剂和金属离子刺激,实现了单晶到单晶的转变,并对其光催化还原CO2方面做了进一步地研究。2、利用柔性的三羧酸配体和咪唑配体在溶剂热条件下合成了一个具有棒状次级构筑单元(rod SBUs)的三维MOF。在环己酮中,通过高温刺激使其断键,进而研究其光催化还原CO2性能。3、利用含有不同柔性支链的吡啶类配体与均苯三甲酸以及Co2+离子,在溶剂热条件下合成了一种含有游离配体的二维MOF。通过有机配体刺激,实现了单晶到单晶的转变,并对其光谱学性质、结构差异进行了比较。1.金属离子刺激响应MOF材料的设计合成及其光催化CO2还原性能研究通过溶剂热反应,利用4,4’,4’’-(nitrilotris(methylene))tribenzoic acid(H3L)和4,4’-bipyridine(BPY)作为配体和过渡金属Cd(II)反应得到了一种含有未配位羧基的二维MOF:{[Cd(HL2-)(BPY)0.5(H2O)]·2H2O}n(1)。由于1的结构是柔性的,并且含有未配位的羧基,我们在反应釜中同时加入1和不同的金属离子(Zn2+、Ni2+、Co2+),在溶剂热条件下得到了另外三种不同结构的MOFs:{[Zn3(L3-)2(BPY)(H2O)]·2H2O}n(2)、{[Ni3(L3-)2(BPY)3(H2O)4]·DMF}n(3)、{[Co2(L3-)(BPY)1.5(NO3-)]·H2O}n(4)。通过SC-XRD、IR、PXRD、TG、UV-Vis和FL对四种MOFs的结构进行了表征。同时,进一步研究了四种MOFs用于光催化还原CO2的性能。其中,配合物1具有最大CO产生速率(63.3μmol g-1 h-1),配合物3对CO的选择性最高。2.溶剂和温度刺激响应MOF材料的设计合成及其光催化CO2还原性能研究通过溶剂热反应,利用H3L和1,4-bis((1H-imidazol-1-yl)methyl)benzene(BMB)作为配体与过渡金属Cd(II)反应得到了一种含有棒状次级构筑单元(Secondary Building Unit,简称SBU)的三维MOF:{[Cd3(L3-)2(BMB)]·2DMF·6H2O}n(5)。该结构中的Cd(II)是以不对称的六配位形式存在,其中保留着较大的再配位空间。因此,我们在未活化的状态下对其进行了光催化CO2还原性能研究,其最大CO的产生速率为16.5μmol g-1h-1。另外,通过真空活化的方式,进一步探究了该MOF材料的相关性能。当活化温度分别为140°C和160°C时,CO的产生速率达到44.8μmol g-1 h-1和56.2μmol g-1 h-1,其催化效率大大提高。3.有机配体刺激响应MOF材料的设计合成及其结构转换行为研究通过溶剂热方法,用4,4’-(2,5-dimethoxy-1,4-phenylene)dipyridine(dmpd)和1,3,5-benzenetricarboxylic acid(H3BTC)制备了一种含游离的dmpd配体的二维MOF:{[Co(dmpd)(HBTC2-)]·0.5dmpd}n(6)。根据配体置换原则,将4,4’-(2,5-diethoxy-1,4-phenylene)dipyridine(depd)和4,4’-(2,5-dibutoxy-1,4-phenylene)dipyridine(dbpd)分别与6加入到反应釜中,在溶剂热条件下,实现了6到{[Co(depd)(HBTC2-)]·H2O}n(7)和{[Co(dbpd)(HBTC2-)]·H2O}n(8)的转换。在这三种MOFs中,由于配体支链长度的不同,导致了晶体结构之间出现了微小的差异。我们对三种晶体结构之间的相似性和差异性进行了比较,并进行了相应的结构表征。
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