基于金属有机框架的复合纳米材料的构建及其应用研究

来源 :武汉工程大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:peterstone138
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近年来,金属有机框架(MOFs)由于其具有大的比表面积,超高孔隙率且孔径大小可控,丰富的功能化位点等诸多优点,成为一种多功能的先进材料,使之在气体存储、分离过程、药物缓释和多相催化等领域存在潜在的应用价值,已引起越来越多的研究者关注。然而,在实际应用中,其分散性和稳定性差的问题依然存在,而基于金属有机框架的复合纳米材料有望解决这一问题。因此本文设计了如下几种结构,研究内容如下:首先,利用水热法一步将Ag纳米粒子负载在MIL-100(Fe)内,制备了一种磁性复合催化剂,并利用SEM、TEM等测试手段对其结构进行表征。由于MIL-100(Fe)表面的多孔结构对于Ag纳米粒子具有良好的负载分散作用,,使得该催化剂对于4-NP的催化还原效果良好,10min内催化效率达到98%,展现出出色的催化效率。且由于其良好的磁性,易于回收再利用,研究发现重复利用5次后催化性能几乎不变。因此,这种设计结构即能降低工业成本,又能减少环境污染,具有潜在的工业利用价值,是一种高效、便捷的磁性复合催化剂。然后,用MIL-100(Fe)纳米颗粒原位修饰氧化石墨烯的方法制备了三维(3D)MIL-100(Fe)/石墨烯杂化气凝胶(MG-HA)。并将得到的具有相互连接的孔结构的MG-HA作为吸附/催化剂用来去除亚甲基蓝(MB)。结果表明,MG-HA的饱和吸附容量高达333.33mg g-1,超过相应的原始石墨烯气凝胶和MIL-100(Fe)纳米颗粒。而且,在过氧化氢存在下,MG-HA进一步表现出催化降解能力,从而实现了协同效应,可以快速彻底清除MB,不会产生二次污染。MG-HA在使用5次后能够保持其初始去除效率的93.4%,并且由于其宏观性可以被快速的回收。通过模型分离装置比较一系列常见吸收剂去除MB的效果,结果发现MG-HA在短时间内可以达到快速吸附的效果。另外,本研究基于协同吸附/催化过程建立了一个可行的数学模型,该模型可以完美地拟合实验数据。最后,通过原位生长法在石墨烯表面自组装ZIF-8作为氧化锌前驱体的方法,制备了一种具有高分散,大比表面积,良好的孔道结构的复合气凝胶(ZG-HA(co))。一方面,对比金属配体复合石墨烯、无机配体复合石墨烯以及ZIF-8粒子复合石墨烯的结构特征,从而证明我们的结构设计在微观结构上具有比表面积大、孔结构稳定、活性位点多等优势。另一方面,通过对不同样品的电催化析氢反应测试,包括过电位的测定、塔菲尔曲线的测定以及循环性能的测试,结果发现ZG-HA(co)展现出最佳的催化活性,过电位为154 mV,而且在循环1000次后,性能基本不变,这相较其他样品展现出更好的性能,证实了这一方案的优越性。
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