不同尺度的多羧基金属—有机骨架材料的合成、表征及吸附性能研究

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功能配合物是目前材料科学中发展非常迅速的一种多功能材料,特别是那些具有特殊形貌,尺度在纳米级的多孔材料。由于其具有高比表面积,特殊孔道结构而拥有许多独特的性能,在学术界引起了广泛关注,并涉及到能源、化工、环境保护等应用领域。近几十年,多孔金属-有机骨架材料在气体小分子吸附方面的研究很多,但是纳米级金属有机骨架用于染料吸附、重金属吸附的报道还较少见。已有的研究表明纳米级金属-有机骨架材料克服传统吸附剂吸附量小,所需时间长,吸附效率低等缺点,是一种新型的快速、高效吸附剂。因而,近几年来关于不同尺度的金属-有机骨架材料的合成、表征及吸附性能的研究正成为人们广泛的关注热点之一。本论文主要进行了以下几点研究:(1)本论文采用三种多羧基配体2,4,6-三-对氨基苯甲酸基-1,3,5-均三嗪(H3TATAB)、1,3,5-均苯三酸(H3BTC)、1,4-对苯二甲酸(H2BDC)作为有机配体与CuII、ZnII、Co(II)等金属盐在室温条件下加入质量浓度为30%的H2O2和溶剂热反应通过一步合成法快速得到七种微纳米尺度的金属-有机骨架材料,Cu3(TATAB)2(H2O)3·8DMF·9H2O (1),Zn4O(TATAB)2·17DMF·3(H2O)(2),Co2(TATAB)2·(H2O)(3),[Cu3(BTC)2(H2O)3]n(4),Zn3(BTC)2(DMF)3(H2O)(DMF)·(H2O)(5),[Cuμ-H2O(BDC)]n·nDMF (6),Zn3(BDC)3(H2O)2·4DMF (7)。并利用傅里叶FT-IR、XRD、TG、SEM、TEM、BET等测试手段对样品的组成、结构和形貌等进行表征。测试结果表明:纳米级配合物配合物1是一种数微米长,平均宽度为90nm的纳米带,配合物4为边长2.5μm的八面体晶体,配合物6为边长3μm的立方体,而配合物2,3,5,7则均为微米级不规则的颗粒状物质。(2)以亚甲基蓝(M.B.)、罗丹明B(Rh.B)、龙胆紫(C.V.)、孔雀石绿(M.G.)、碱性品红(F.B.)五种阳离子型有机染料为模型,对配合物1-7进行了染料吸附实验。结果显示:配合物1、2和3对染料分子的吸附快速,高效,其中2mg的配合物1在室温条件下对50mg/L亚甲基蓝的吸附可在1min内达到97.6%,该吸附实验结果很好地符合了二阶动力学模型,配合物1、2和3的最大吸附量均高于其他同类材料。而且本产品合成方法简单,产率高,所需时间较短,在工业废水处理领域具潜在在应用;而配合物4-7则对这类阳离子型染料的吸附效果一般。(3)重金属吸附实验,通过改变配合物用量和吸附时间研究了配合物1-3对重金属离子的吸附能力及吸附效率。结果表明:配合物对Pb2+、Cd2+和Co2+等均表现出相对较高的吸附能力和吸附效率。综合染料吸附与重金属离子的吸附结果,我们推测其吸附机理如下:静电作用是配合物具有较高阳离子染料及重金属离子吸附的主要原因。同时,金属-有机骨架内部纳米孔道的存在对吸附过程起着协同作用。本研究所合成的金属有机骨架微纳米材料做为新型高效吸附剂,有望进一步用于工业废水处理研究,可为功能配合物的应用提供新思路。
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