若干酰胺/氨基修饰MOFs材料的合成、CO2气体捕获及催化转化性能研究

作     者：苗兆阔 

作者单位：湖南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：申少华;郑柏树;尹飞奇

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：MOFs材料 功能基团 催化转化 循环利用 

摘      要：MOFs是孔隙体积最大,比表面积最大、骨架密度最小的多孔晶体材料之一,同时具有良好的结晶度与高孔隙率。它们的结构通常可以从有机连接体的方向性和金属构建块的配位几何形状中推导出来。从这个角度上讲,金属有机框架材料可以很大程度上通过设计所需的结构和孔道的尺寸来进行合成。MOFs孔道中含有极性基团与众多的亲核位点,所以它可以用于二氧化碳捕获以及催化转化,以缓解二氧化碳过度排放问题,也为生产出工业所需的精细化学品提供了便利。本文制备了三种包含不同功能基团的MOFs,并对其合成方法、晶体结构、稳定性、催化转化性能进行了深入探索,主要研究结果如下:1、有机配体及金属有机框架材料的合成通过酰氯化反应和偶联反应合成了三种带有不同功能基修饰的新颖有机配体。它们分别为HL(5-((2,5-双(甲氧基羰基)苯基)氨基甲酰基)间苯二甲酸)、HL(2,2’-(草酰双(氮杂二基))二对苯二甲酸)和HABP(5-(4-氨基-5-溴吡啶基-3-基)间苯二甲酸)。根据晶体工程学原理,在合适的条件下利用金属二价铜离子和以上三种有机羧酸配体通过配位键连接形成三种不同新型MOFs晶体材料,分别为命名为HNUST-14、HNUST-15和HNUST-16。通过PXRD、FTIR、TGA、等表征手段,结果表明这三种MOFs不论在性质上还是结构上都具有高度的稳定性,这为探究MOFs的CO催化转化性能奠定了良好的基础。2、金属有机框架材料对CO捕获性能研究得益于其开放的金属位点,极小且氨基功能化的通道,HNUST-16显示出高的二氧化碳捕获量(1 k Pa和273 K时为5.425 mmol/g,1 k Pa和298 K时为3.1925 mmol/g)。以及对二氧化碳对N有良好选择性(273K时为35.27,298K时为25.16),二氧化碳对CH也有良好选择性(273K时为5.89,298K时为2.06)。在77K时,HNUST-16的N的吸附呈现可逆的微孔I型吸附等温线。BET和Langmuir表面积分别为1516.1m/g和1490.1m/g,单点吸附总孔隙体积为0.6361 m/g。根据HNUST-16的低压数据,并利用相应的计算公式计算出HNUST-16在273 K下对CO/CH和CO/N的吸附选择性分别为5.89和35.27;在298 K下对CO/CH和CO/N的吸附选择性分别为2.06和25.16,表明该材料具有良好的CO捕获性能3、金属有机框架材料对CO催化转化性能研究以CO和环氧化合物反应合成环状碳酸酯为例,对HNUST-16这种金属有机框架材料的催化性能进行了探究,通过五轮催化转化的核磁氢谱表征结果来看,当以环氧氯丙烷、环氧溴丙烷为底物时,催化转化效果最好,并且多次催化后该材料仍然有较好的催化效果性能,为催化剂的循环利用提供了可能。