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MOF-74衍生炭材料的合成与二氧化碳吸附性能研究

MOF-74衍生炭材料的合成与二氧化碳吸附性能研究

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作者：段岐长春工业大学

学位级别：硕士

在本研究中,首先我们利用MOF-74晶体自身具备的孔隙结构,由高温炭化处理的方法制备了可保持晶体形貌不变的多孔炭材料,通过控制炭化温度(300℃-900℃),得到了一系列由MOF-74晶体衍生的具有多级孔的炭材料MOF-74-T。MOF-74晶体在900℃下... 详细信息

在本研究中,首先我们利用MOF-74晶体自身具备的孔隙结构,由高温炭化处理的方法制备了可保持晶体形貌不变的多孔炭材料,通过控制炭化温度(300℃-900℃),得到了一系列由MOF-74晶体衍生的具有多级孔的炭材料MOF-74-T。MOF-74晶体在900℃下炭化处理1h的样品(MOF-74-900)与在其他温度得到的样品相比,具有优秀的二氧化碳吸附容量(3.64 mmol/g,1 bar,273 K)。BET测试结果显示快速炭化得到的MOF-74-900多孔炭材料具备0.51 nm的平均孔径,以及1175.3 m/g的高BET比表面积。MOF-74-900多孔炭材料的SEM和EDS结果表明,合成的晶体具有典型的六方棒状结构,即使经过高温炭化处理,仍然保持其骨架结构而不发生坍塌和崩坏,并且MOF-74-T多孔炭材料的碳元素的含量随温度不断上升。MOF-74-900多孔炭材料的X射线衍射(XRD)图谱的结果表明,将合成的晶体与标准卡片对比,证明成功合成了MOF-74晶体,随着炭化温度的升高,MOF-74-T失去了原有MOF-74晶体的衍射峰,并生成了Zn O纳米颗粒。MOF-74-900多孔炭材料的拉曼测试结果表明,通过高温炭化,成功将MOF-74晶体转化为炭材料。MOF-74-900多孔炭材料的TG与FI-TR测试结果表明,在炭化过程中材料质量的主要损失来源于配体的解离,以及溶剂分子的损失。并且通过MOF-74-900多孔炭材料的BET测试结果,具体解释了MOF-74-900多孔炭材料具有高二氧化碳吸附量的原因。在前面的内容中发现MOF-74-900多孔炭材料具有优异的二氧化碳分子吸附量,本章研究通过将MOF-74晶体与酚酞基聚芳醚酮(pekc)复合后共炭化制备了pekc-20%MOF-74炭气凝胶,进一步提高了多孔炭材料对二氧化碳气体的吸附性能。通过一系列的测试表明,制备的pekc-20%MOF-74炭气凝胶具有较高的热稳定性,并且由于其具有超高的BET比表面积(2317.25 m/g),同时还拥有0.22 cm/g的微孔体积以及0.55 nm的平均孔径,小于0.8nm的微孔已经被证实适用于二氧化碳吸附,正是上述中pekc-20%MOF-74材料的优异的物理性质,使得pekc-20%MOF-74炭气凝胶在1 bar,298 K和273 K下对二氧化碳气体的吸附容量分别为3.79 mmol/g和5.1mmol/g。这说明通过将MOF晶体炭化、与聚合物复合共炭化制得的新型多孔炭可以对二氧化碳气体吸附能力有很大提升,并且由于炭材料的稳定性,使得在实际应用中也有着广泛的应用前景。

关键词： CO2吸附多孔炭炭气凝胶 MOF-74 pekc

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