基于3,6-双咪唑-哒嗪和芳香羧酸共筑的新型配位聚合物的合成及其催化CO氧化性能

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配位聚合物,也称金属-有机框架材料,因其结构新颖丰富,孔道可控,高比表面积以及易功能化等特点,在催化、气体存储、选择性吸附与分离、光学及磁学等领域具有潜在的应用前景。本论文依据晶体工程学原理,以开发哒嗪类配位聚合物的功能为目标,研究了合成条件,金属中心种类和配体结构对产物的结构和性质影响,总结其规律。根据所制备的配位聚合物材料的结构特点,考察它们在催化方面应用。主要的研究成果如下:(1)双咪唑哒嗪(bmp)为主配体,芳香多羧酸为辅助配体,在水热或溶剂下分别与不同金属源反应成功地构筑了12例新的配位聚合物。化合物1和2是以对苯二甲酸为辅助配体制备得到的镍基和铜基配位聚合物,1为5-穿插的dia网络结构,具有较好的热稳定性;2是具有CdSO4拓扑的三维配位聚合物。化合物3是以间苯二甲酸为辅助配体制备得到的三维的镍基配位聚合物,它同样具有CdSO4拓扑结构。采用5-硝基间苯二甲酸为辅助配体,分别以硝酸镍和硝酸钴为金属源进行反应得到了同结构的化合物4和5,它们具有CdSO4拓扑结构,均有很好的热稳定性。在类似条件下,采用1,3,5-苯三羧酸为辅助配体,得到了一维链状结构的化合物6,其中1,3,5-苯三羧酸中有两个羧基未去质子化。采用四齿芳香多羧酸(1,2,4,5-均苯四羧酸)为辅助配体,成功制备了两个同结构的二维配位聚合物(化合物7和8),热稳定温度都达到360℃以上。当采用尺寸更大的四齿芳香多羧酸(3,3,4,4-联苯四羧酸)为辅助配体时,得到了四个配位聚合物(化合物9-12)。化合物9和10是同结构的三维配位聚合物,金属中心离子分别是锌和钴,配体HBPTC3-中有一个羧基是未去质子化的,它们的拓扑结构是比较罕见的nbo-x-d/I m-3 m->I m m 2拓扑。化合物11为具有sqc111拓扑的三维镉基配位聚合物,其结构中的草酸根来自于乙醇的原位氧化;化合物12是一个具有双层的二维铜基配位聚合物。(2)选用多孔的三维铜基配位聚合物(化合物2)为前驱体制备了系列CuO-CeO2催化剂。采用PXRD、TEM、Raman、H2-TPR以及XPS等手段对催化剂进行了表征,并用于催化CO氧化反应,考察了焙烧温度,铜铈比对催化活性的影响。结果表明,利用配位聚合物材料前驱体法制备催化剂可以有效的抑制CuO和CeO2的团聚,有良好的分散度。当升高到适合的温度时,CuO和CeO2之间有强相互作用,具有更多的活性铜铈界面,从而具有最佳的CO催化活性。随着铜铈比提高,CO催化活性先升高后降低。铜铈比达到5:5时,还原温度向髙温方向移动,部分高分散的氧化铜颗粒聚集长大成为大颗粒的CuO,催化活性降低。催化剂上所有Cu物种的还原温度都低于纯CuO的还原温度,表明CeO2的存在可以明显地促进CuO的还原。CuCe600-3:7催化剂的催化活性最佳,在85℃就能使CO完全转化,主要是由于该样品表面含有最多的CuO活性物种和高的分散度。(3)采用不同的钴基配位聚合物为前驱体通过焙烧得到了系列Co3O4-CeO2催化剂。采用PXRD,XPS等对催化剂进行了表征,并且应用到CO氧化反应。结果表明,化合物6为前驱体制备的Co3O4-CeO2催化剂展现了最好的催化活性,原因可能是该催化剂具有比较好的活化CO能力。进一步考察了制备条件对Co3O4-CeO2催化剂的催化性能的影响。发现焙烧温度对Co3O4晶粒生长和催化活性有较大影响:CoCe(6)400-3:7的催化活性最差,而CoCe(6)500-3:7的催化活性最好,其在140℃时可实现CO的完全转化,主要是由于催化剂有较好的活化CO能力和较高的比表面积。随着CeO2比例的升高,催化活性逐渐降低,催化活性顺序与H2-TPR和XPS结果相一致。CeO2的添加对Co3O4催化氧化CO起到了促进作用,可以在更低的温度下实现CO的完全氧化。(4)选用四个高热稳定性的不同结构的镍基配位聚合物作为载体,通过固载Pd粒子制备了四个载钯催化剂,并对这四种催化剂进行了TEM、IR、PXRD、TG、BET等表征。结果表明,负载前后样品的结构保持完好。Pd纳米粒子被成功的负载到了载体上,其中5-Pd催化剂的Pd纳米颗粒均匀地分布在载体上,没有出现团聚。XPS结果表明负载的Pd都以零价的形态存在。催化活性结果表明Pd纳米粒子大小是影响催化剂的催化活性主要因素,而非表面钯含量。四个载钯催化剂对CO氧化具有一定的催化能力,其中5-Pd的催化活性最好,在180℃时CO达到完全转化。
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