MOF基纳米复合材料的制备及其电流变性能研究

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在当今不断发展的世界中,材料的不断进步是当代技术革命的支撑和基础。电流变液是一种智能材料,在不同的外加电场下有不同程度的响应,在电场下可以迅速的响应,并且发生可逆的变化,具有广阔的工程应用的前景。因此对于多种可以用作电流变材料的研究和探索势在必行。传统的电流变材料由于其本身密度较大从而导致的沉降、介电性能不理想等缺点,影响了其电流变效率和电流变性能。金属-有机框架材料(MOF)是近年来兴起的一类配位聚合物,它的三维孔结构能够提供活性点和大的比表面积,这种特点能够很好的解决分散相在悬浮液体出现沉降的问题,并且可以改善介电性能,更好的提高了电流变材料的电流变性能。本论文提出了制备MOF基纳米复合材料的新思路,并且系统研究了在不同比例稀土离子Ce掺杂下制备的MOF基材料的成分、结构及其电流变性能,目的在于借助MOF各项异性的形貌和丰富多孔的特点改善材料的电流变性能,主要内容包含以下两个方面:(1)采用简单的溶剂热法制备MOF-Ti,并使用稀土元素Ce对其进行一定比例的掺杂,利用MOF-Ti性质,掺杂比例梯度如下:六水合硝酸铈中的铈元素与反应体系中的钛元素的摩尔比分别为0:100、1:100、1.5:100、2:100、3:100和5:100。研究了制备条件,即掺杂稀土离子Ce的比例对于制备的MOF颗粒的影响,并探究其对电流变性能的影响。结果表明:经过不同比例的稀土离子Ce掺杂后,其MOF的形貌和结构发生了变化,在进行1.5%掺杂比例下,呈现了十面体形貌。纯MOF的电流变测试可以在1000 V以下测试,但经过Ce掺杂之后,进行电流变测试时,对其所施加外加电场强度下降。(2)为了解决稀土掺杂的MOF导致的电流变液电流过大,电场很难施加的问题,进一步采用溶剂热法制备了稀土元素Ce掺杂的MOF结构用作前驱体,将前驱体在空气氛围下进行500℃、2小时的高温煅烧,获得最终不同Ce掺杂比例的Ti O2样品。系统研究了稀土元素Ce的不同掺杂比例对Ce-介孔氧化钛的成分、结构及其外界电场强度下的电流变性能的影响,结果表明:经过Ce离子掺杂的MOF前驱体结构在经过500℃、2小时的煅烧处理后,能够很好的获得各向异性形状和介孔的氧化钛纳米颗粒,进而实现电流变性能的提高,并且在1.5%Ce的掺杂比例之下的介孔氧化钛具备较高的电流变效应。研究发现,合理进行稀土离子Ce的掺杂对于改善前驱体的形貌是很重要的调控方式,并且MOF的方形或圆饼状颗粒形状能够在煅烧处理后较为完整的保留,并且对提高样品的介电性能,从而进一步提高材料的电流变活性有着很关键的作用。总之,合成稀土离子Ce掺杂MOF-Ti结构具有独特的形貌结构特点,并且Ce-介孔氧化钛存在大量介孔,极大丰富极化能力,尤其是界面极化能力。使用此种掺杂MOF-Ti作为前驱体制备的Ce-介孔氧化钛有着优秀的电流变性能,并且稀土元素Ce的掺杂有利于材料介电性能的提高,使MOF结构更好的应用在电流变领域,并且为MOF结构在电流变材料的设计改造上提出了一定探索的思路和新见解。
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