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金属有机框架材料MOF-5的咪唑导入及质子传导性

作　者: 周燕
导　师: 宋英
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 金属有机框架材料 MOF-5 溶剂热合成咪唑质子传导性
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

金属有机框架材料（MOFS）是一种新型多孔材料，具有规则的孔道、较高的稳定性、可调的孔结构及尺寸大小等特点，在气体吸附与分离、传感器、发光等领域有广阔的应用前景。本论文通过锌离子和对苯二甲酸配体自组装合成多孔金属有机框架材料MOF-5，然后将质子载体咪唑导入多孔MOF-5孔道内。通过X-射线电子衍射、扫描电子显微镜等测试手段对合成的MOF-5及导入咪唑后的复合体进行了分析和表征；通过热重分析考察了MOF-5及导入咪唑后的复合体的热稳定性。通过交流阻抗谱测试研究了所制备的复合体在不同温度下的传导性能。首先采用溶剂热法合成了一种热稳定性高、结构简单、孔道规则的多孔有机框架材料MOF-5，考察了反应温度、反应时间、反应物摩尔比、处理方式等对MOF-5合成的影响。实验结果表明，合成条件对MOF-5的相结构和形貌有很大影响。Zn（NO₃）₂·6H₂O和H₂BDC的摩尔比为2:1，反应时间为24h，DMF的用量为15mL，反应温度为120℃或135℃时均可以制备出结晶度较高、形貌较好的MOF-5。在合成MOF-5的后处理研究中发现，氯仿浸泡和200℃升温活化两种方式均可以很好的去除MOF-5孔道内残留的客体分子。采用液相法将质子载体咪唑导入其孔道内，制备了咪唑@MOF-5复合体，考察了溶剂、加热温度、咪唑加入量对咪唑导入的影响。以乙二醇为导入溶剂，当体系中咪唑的质量与MOF-5的质量比为1:1，体系温度为60℃时，可以将咪唑导入到MOF-5孔道内。XRD和SEM分析结果表明，咪唑导入后没有破坏MOF-5的结构，MOF-5表面相貌基本没有发生改变。导入咪唑后的复合体的差热分析表明，导入咪唑后的MOF-5的热稳定性未受影响，当温度为130℃左右时导入的咪唑开始发生脱附。利用交流阻抗法测试了无水状态下咪唑@MOF-5复合体的质子传导率。实验结果表明，在无水状态下的质子传导率在室温到120℃的范围内随温度的升高而升高。当温度为140℃时，质子传导率低于120℃时的质子传导率。当反应温度为120℃时，质子传导率为3.5×10^-8S/cm，此数值较MOF-5的质子传导率高3个数量级。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-22
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 质子交换材料的研究进展  10-15
    1.2.1 传统质子交换材料  10-13
    1.2.2 金属有机框架类质子交换材料  13-15
  1.3 金属有机框架材料概述  15-20
    1.3.1 金属有机框架材料的合成方法  15-18
    1.3.2 金属有机框架材料的应用  18-19
    1.3.3 金属有机框架材料 MOF-5 简介  19-20
  1.4 课题的主要研究内容  20-22
第2章实验材料及研究方法  22-27
  2.1 实验药品和仪器  22-23
    2.1.1 实验药品  22
    2.1.2 实验设备  22-23
  2.2 样品制备  23-25
    2.2.1 金属有机框架 MOF-5 的合成  23
    2.2.2 咪唑@MOF-5 复合粉体的制备  23-24
    2.2.3 粉体成型  24-25
  2.3 材料的表征方法  25-27
    2.3.1 粉末 X-射线衍射分析  25
    2.3.2 扫描电子显微镜  25
    2.3.3 热重分析  25
    2.3.4 红外光谱(IR)分析  25-26
    2.3.5 比表面积及孔结构分析  26
    2.3.6 交流阻抗图谱分析  26-27
第3章金属有机框架 MOF-5的合成及表征  27-45
  3.1 反应条件对 MOF-5 合成的影响  27-37
    3.1.1 溶液浓度对 MOF-5 的晶相及形貌的影响  27-29
    3.1.2 反应温度对 MOF-5 的晶相及形貌影响  29-31
    3.1.3 反应时间对 MOF-5 的晶相及形貌的影响  31-33
    3.1.4 反应物摩尔比对 MOF-5 的晶相及形貌的影响  33-37
  3.2 处理方式对 MOF-5 的影响  37-42
    3.2.1. 纯化方式对 MOF-5 物相及热稳定性的影响  37-39
    3.2.2 样品活化方式对 MOF-5 物相及热稳定性的影响  39-41
    3.2.3 在大气中暴露时间对 MOF-5 物相的影响  41-42
  3.3 MOF-5 的 FT-IR 分析  42
  3.4 MOF-5 的比表面积及孔结构  42-43
    3.4.1 MOF-5 的比表面积及孔径分布  42-43
    3.4.2 MOF-5 的孔结构参数  43
  3.5 本章小结  43-45
第4章 MOF-5的咪唑导入及质子传导性  45-56
  4.1 咪唑导入 MOF-5 工艺的优化  45-51
    4.1.1 溶剂对咪唑导入 MOF-5 的影响  45-48
    4.1.2 加热温度对导入咪唑的 MOF-5 影响  48-49
    4.1.3 咪唑加入量对复合体制备的影响  49-51
  4.2 导入咪唑的 MOF-5 的热稳定性  51
  4.3 导入咪唑的 MOF-5 的质子传导性  51-54
    4.3.1 不同温度下导入咪唑的 MOF-5 的交流阻抗谱图  51-52
    4.3.2 导入咪唑的 MOF-5 的质子传导率随温度变化规律  52-54
  4.4 质子传递机理探讨  54
  4.5 本章小结  54-56
结论  56-57
参考文献  57-64
致谢  64

金属有机框架材料MOF-5的咪唑导入及质子传导性

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