论文部分内容阅读
金属有机骨架(MOF)是由过渡金属离子或金属簇与有机配体利用络合作用而形成的微孔网状骨架,是一种颇具前途的新型功能晶体材料。MOF拥有特定尺寸和形状的孔道,骨架内部排列规则,而且合成原料金属盐和有机配体的选择范围广,具有不饱和金属配位和较大的比表面积,但MOF材料的稳定性较差,这在一定程度上影响了其应用。类沸石咪唑骨架(ZIF)是MOF的一个分支,咪唑类有机配体(IM)替代了传统沸石中的O,过渡金属(M)取代传统沸石中的Si/Al原子。ZIF的命名源于其拓扑结构中M-IM-M的角接近沸石中Si/Al-O-Al/Si的夹角(145°)。ZIF兼容了MOF和传统沸石的优点。由于金属离子和咪唑间的强相互作用,ZIF具有良好的化学稳定性和热稳定性。一些ZIF可在沸水或沸腾的有机溶剂中稳定存在,热稳定性可高达400℃。本论文主要研究几种典型ZIF材料的制备和改性,并对其结构、形貌、BET比表面积及其酸碱特性等进行表征。选取酯交换反应、CO2环加成反应和Knoevenagel偶合反应这三类典型的酸碱催化反应作为探针实验,探索ZIF材料在酸碱催化及精细化工领域的潜在应用价值。另外,还对改性的ZIF-8作为光催化剂处理有机染料进行了初探。主要获得以下研究成果：(1)ZIF催化材料的制备、改性及其表征：通过不断探索,利用溶剂热法制备了ZIF-8及ZIF-68；利用简便节能的室温搅拌法制备了结晶度较高的ZIF-7、ZIF-8及ZIF-67。并探索了不同金属盐对ZIF-7及ZIF-8晶体形貌的影响,测试了去质子化试剂氨水的用量对ZIF-7晶型及形貌的影响。在催化材料的改性方面,将磷钨酸负载于ZIF-8上,利用ICP-AES及EDX表征W的含量。将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)修饰的Pt原位负载于ZIF-8上,增加其对CO2的吸附能力,继而提高其催化CO2环加成的活性。分别利用粉末X射线衍射仪(XRD)、N2物理吸附-脱附测试仪(BET)、扫描电镜(SEM)、程序升温脱附(TPD)、热重分析技术(TGA)、红外光谱分析(IR)、紫外-可见光谱分析(UV-Vis)及激光拉曼光谱分析(Laser Raman)等对所制备的催化剂进行表征。另外,通过CO2-TPD及NH3-TPD验证了ZIF-8、ZIF-67及ZIF-68均属于酸碱双功能催化剂。(2)ZIF-67催化酯交换反应：本文研究了ZIF-67催化碳酸二甲酯(DMC)和碳酸二乙酯(DEC)通过酯交换反应制备碳酸甲乙酯(EMC)的反应。结果表明,100℃反应24h,GC检测得到EMC的产率高达83.39%,这与使用ZIF-8作为催化剂得到的产率相比有明显的提高。另外,ZIF-67在该反应中具有良好的稳定性和循环使用性能。(3) Pt/ZIF-8及ZIF-68催化CO2的环加成反应：本文研究了Pt/ZIF-8及ZIF-68催化C02与氧化苯乙烯(SO)环加成合成环状羧酸酯(SC)的反应。结果表明,改性ZIF-8的催化活性明显提高且催化剂可循环使用,但催化结果仍不理想。另外,当ZIF-68做催化剂,在无溶剂、无共催化剂,较温和的反应条件下(120℃,1.00 MPa),气相色谱(GC)检测得到SC的产率高达93.34%。而且,ZIF-68在该反应中具有良好的稳定性和循环使用性能。(4)ZIF-8催化Knoevenagel偶合反应：本文利用室温搅拌法合成了一系列不同粒径的多孔类沸石咪唑骨架(ZIF-8),实验表明Zn(NO3)2·6H2O作为锌盐时制备的ZIF-8的粒径最小。然后我们将粒径最小的ZIF-8作为Knoevenagel偶合反应的非均相催化剂。结果表明,在室温下反应2h,GC检测证实苯甲醛可完全转化。ZIF-8在循环实验中活性无明显下降,浸出试验表明该反应为多相催化反应。(5)磷钨酸负载的ZIF-8光催化降解亚甲基蓝：我们将磷钨酸(PTA)负载于ZIF-8上制备了新型光催化材料PTA/ZIF-8,并将其用于光降解亚甲基蓝的反应,解决废水中的有机染料污染问题。结果表明,磷钨酸的快速传递多电子的功能使得PTA/ZIF-8具有优良的光催化能力,反应进行20min,亚甲基蓝基本降解完全。