【摘 要】
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铁电金属有机框架（metal-organic frameworks,MOFs）材料作为一类杂化体系,受益于无机和有机组成部分（如金属离子、配体分子和客体分子）的多样性以及合成条件（如温度、溶剂和模板）的可调性,近年来取得了很大的进展。但仍然存在材料数量较少、铁电性能普遍较弱以及缺少调控方法等问题。基于目前铁电MOFs材料研究领域存在的问题,本文选取结晶于非中心对称极性空间群且适合于改性的MOFs材
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（21761023）； 内蒙古自然科学基金项目（2017ZD01）；
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铁电金属有机框架（metal-organic frameworks,MOFs）材料作为一类杂化体系,受益于无机和有机组成部分（如金属离子、配体分子和客体分子）的多样性以及合成条件（如温度、溶剂和模板）的可调性,近年来取得了很大的进展。但仍然存在材料数量较少、铁电性能普遍较弱以及缺少调控方法等问题。基于目前铁电MOFs材料研究领域存在的问题,本文选取结晶于非中心对称极性空间群且适合于改性的MOFs材料,分别从金属离子、有机配体和客体阴离子入手,采用金属离子掺杂、配体取代基修饰和客体离子交换的方法,得到一系列铁电MOFs材料并实现了铁电性能的调控。主要研究内容如下:1、基于结晶于极性空间群Pba2且具有潜在铁电性的母体金属有机框架Ni-MOF,利用原位溶剂热法制备了一系列在晶格节点上掺杂Mg2+离子而合成的掺杂金属MOFs材料,并采用ICP、EDS和XPS证实Mg2+离子掺杂进入到晶格节点中以及在晶体结构中的均匀分布。掺杂MOFs保持了来自母体Ni-MOF的晶体结构,并且由于Ni2+和Mg2+之间较大的电负性差异,掺杂MOFs出现明显的晶格畸变和显著的偶极矩变化,导致了较大的极化。因此,掺杂MOFs能够在室温下表现出铁电性,并且随着Mg2+离子掺杂含量的增加,铁电性能逐渐增强。2、在结晶于极性空间群P21且含有客体阴离子NO3-的二维层状阳离子金属有机骨架Zn-MOF的基础上,采取客体离子交换的后修饰方法,将其分别置于含有NO2-、Br-和I-的三种溶液中,得到Zn-MOF-X（X=NO2-、Br-和I-）。采用XPS验证了离子交换在Zn-MOF-X（X=NO2-、Br-和I-）框架内部的发生,并对其结构相变以及铁电性能进行了测试。结果表明,从Zn-MOF到离子交换后的Zn-MOF-X（X=NO2-、Br-和I-）,铁电性呈现出从无到有的变化,并且表现为Zn-MOF-NO2-<Zn-MOF-Br-<Zn-MOF-I-。铁电性能的变化可能是客体阴离子发生交换后结构中正负电荷中心随之变化所导致的。3、在结晶于极性空间群Pca21且具有铁电性的母体金属有机框架Cu-MOF的基础上,使用原位溶剂热法制备了一系列部分配体引入F原子取代基进行修饰而得到的Cu-MOF-Fs材料。采用FT-IR和XPS确认晶体结构中部分异烟酸分子的吡啶环上引入F原子取代基。Cu-MOF-Fs的框架结构与母体Cu-MOF保持一致,并且由于F原子的引入导致整个晶体出现了较大的极化。因此Cu-MOF-Fs能够在室温下表现出铁电性能增强且随着F原子取代基含量的增加,铁电性能得到进一步提升的现象。
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