功能化纤维素纳米晶负载MOF-199复合体系的制备及性能研究

作     者：张照航 

作者单位：青岛科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒋敏

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：金属有机骨架 纤维素纳米晶体 气凝胶 染料吸附 催化还原 

摘      要：金属有机骨架(MOF)材料是一类由过渡金属节点桥接的有机配体自组装而成的具有周期性网络结构的晶体多孔材料。它具有高比表面积、孔隙结构丰富、开放位点活性强、灵活的可调控性等优异特性,因此MOFs材料在吸附与分离、传感电极、催化、抗菌、超级电容器等方面表现出应用前景。但是由于MOFs被合成出来一般为粉末形态,造成其难加工、使用不便捷的缺陷,限制了应用范围。因此寻找合适的载体制备MOFs复合材料是提高MOFs实际应用可行性的有效途径。纤维素纳米晶(CNCs)是一种从纤维素中剥离出来的绿色环保纳米材料,它具有生物相容性好、力学性能好、表面基团可修饰性等优点。通过对CNCs表面羟基的羧基化,可以进一步实现对目标分子的负载,CNCs气凝胶已被广泛用于功能材料的负载与制备。本论文针对一种含铜的MOF(MOF-199)材料的应用,通过离子交联(Cu与羧基)和配位键合(Cu与均苯三甲酸有机配体)的组装策略,制备了MOF-199与羧基化纤维素纳米晶(CNC-CA)的复合气凝胶。该气凝胶为具有核壳结构的球形材料,外壳结构为致密的MOF-199晶体层,内核为CNC-CA与羧甲基壳聚糖(CMCS)形成的三维网状结构。CNC-CA和CMCS的共存对于形成稳定的气凝胶内部结构起了协同作用,而均苯三甲酸配体溶液的p H值决定了MOF-199壳层在CNC-CA/CMCS核心上覆盖率。通过调整组分浓度和反应时间,发现MOF-199的形貌随着{111}晶面的演变而发生变化。N吸附等温线和孔径分布证实了MOF-199@CNC-CA/CMCS气凝胶球的中孔和大孔结构,这也使所得气凝胶球对亚甲基蓝(MB)表现出优异的吸附能力。高达1112.2 mg·g的动力学吸附性能数据表明,MB分子在气凝胶上的吸附过程受物理吸附和化学吸附相互作用的共同控制。基于Freundlich等温线模型,MB的吸附平衡被认定为多层吸附。对MOF-199@CNC-CA/CMCS气凝胶进行高温碳化后得到掺杂Cu、Cu O和CuO的多孔碳材料。该产物对硝基苯酚(4-NP)的还原起了高效催化作用。其中CuO物种在催化4-NP的还原中起主要作用。