金属—有机骨架化合物的合成及其甲烷吸附性能研究

【摘要】：金属-有机骨架化合物是近十几年来发展最为迅速的一种新型多孔材料。由于结构的丰富性、可调性,孔道的多样性,高比面积及具有不饱和金属配位等特点,它们在反应催化、气体存储和分离等领域有着广泛应用。尤其在气体存储方面更是得到广泛认可,具有光明的应用前景。金属有机骨架化合物MOF-5为该种材料的典型代表,它为三维立体结构,具有较高的比表面积、均一的孔道结构,较大的孔容积,表现出良好的吸附性能。另外,近期,国外报道了一种金属-有机骨架化合物PCN-14,其是迄今为止最大的甲烷存储MOFs。 本文以醋酸锌为锌源,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,三乙胺(TEA)为去质子化剂,通过室温搅拌的方法合成了金属-有机骨架化合物MOF-5。并通过浸泡,真空加热的方法完成对其活化。利用XRD及氮吸脱附对其进行了表征,并完成在一定温度和压力下的甲烷吸附性能测试。另外,本文也尝试了金属-有机骨架化合物PCN-14的合成。 研究结果表明,凭借溶剂干燥除水,装置抽真空及氮气保护,严格控制水份的参与,室温搅拌2.5h后,成功合成了金属-有机骨架化合物MOF-5。经过DMF的洗涤,浸泡及一定量三氯甲烷70℃下,6×8h的活化,很好地清除了MOF-5微孔及颗粒间隙处的溶剂分子。氮气吸脱附测试显示MOF-5的BET比表面积为2776.9020 m2/g,孔径均一,为0.88nm左右。在T=295.15K,P=3.937MPa下,活化后的金属-有机骨架化合物MOF-5粉末的甲烷过剩吸附量为7.0526 mmol/g。随着样品堆积密度的增加,样品的甲烷吸附性能也随之下降。通过多次的甲烷充放测试,样品表现出很好的重复性能。通过曲线拟合,得到在T=295.15K下,吸附甲烷的等量吸附热为13.2 kJ mol-1。在PCN-14的合成过程中,实验室积累了一些宝贵经验。 【关键词】：金属-有机骨架化合物 MOF-5 PCN-14 甲烷吸附
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：O621.3;O647.32
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第1章 绪论7-19
• 1.1 课题的研究背景及意义7
• 1.2 金属-有机骨架材料7-15
• 1.2.1 金属-有机骨架材料的研究进展8-9
• 1.2.2 金属-有机骨架材料的分类9-10
• 1.2.3 金属-有机骨架材料的特性10-12
• 1.2.4 金属-有机骨架材料的合成方法12-13
• 1.2.5 金属-有机骨架材料在甲烷存储方面的应用13-15
• 1.3 金属-有机骨架材料MOF-5 及PCN-1415-18
• 1.3.1 金属-有机骨架材料MOF-515-17
• 1.3.2 金属-有机骨架材料PCN-1417-18
• 1.4 本课题的主要研究内容18-19
• 第2章 实验材料与方法19-26
• 2.1 实验主要原料及器材19
• 2.2 金属-有机骨架化合物MOF-5 及PCN-14 合成19-21
• 2.2.1 MOF-5 的合成及活化19-21
• 2.2.2 PCN-14 的合成21
• 2.3 金属-有机骨架化合物的表征21-22
• 2.3.1 X 射线粉末衍射(XRD)分析22
• 2.3.2 氮气吸脱附测试22
• 2.4 金属-有机骨架化合物的甲烷吸附性能测试22-26
• 2.4.1 HAXF-I 型天然气吸附评价装置22-23
• 2.4.2 容量法甲烷吸脱附装置测试23-26
• 第3章 MOF-5 的合成和活化以及表征26-34
• 3.1 MOF-5 的合成26-28
• 3.1.1 分子筛的活化及溶剂的除水26
• 3.1.2 锌盐液的除水26-27
• 3.1.3 对苯二甲酸(H_28DC)的溶解和锌盐液的转移以及反应合成27-28
• 3.2 MOF-5 的活化28-29
• 3.3 MOF-5 的保存29-30
• 3.4 合成量的扩大30-32
• 3.5 活化后的MOF-5 的氮气吸脱附测试32-33
• 3.6 本章小结33-34
• 第4章 MOF-5 甲烷吸附性能测试34-54
• 4.1 HAXF-I 型装置的调试34
• 4.2 容量法甲烷吸脱附装置的组装与调试34-36
• 4.2.1 装置的组装34-35
• 4.2.2 气密性的检测35-36
• 4.3 气体状态方程的选定36-38
• 4.4 体积标定38-40
• 4.5 测试方法的选定40-44
• 4.6 样品堆积密度对甲烷吸附量的影响44-50
• 4.6.1 0.5MPa 压片后的甲烷吸附量测试44-46
• 4.6.2 1.0MPa 压片后的甲烷吸附量测试46-47
• 4.6.3 2.0MPa 压片后的甲烷吸附量测试47-50
• 4.7 甲烷吸附等温线的曲线拟合50-53
• 4.8 本章小结53-54
• 第5章 PCN-14 的尝试合成54-58
• 5.1 H_4ADIP 有机配体的合成54-56
• 5.2 PCN-14 金属-有机骨架化合物的合成56-57
• 5.3 本章小结57-58
• 结论58-59
• 参考文献59-64
• 攻读硕士学位期间发表的论文64-66
• 致谢66

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