轻质镁基金属有机框架材料的合成与结构研究【开题报告】.doc

开题报告 应用化学 轻质镁基金属有机框架材料的合成与结构研究 一、选题的背景与意义 金属有机骨架化合物(MOFs)是由含氧、氮等的多齿有机配体(大多是芳香多酸或多碱)与过渡金属离子自组装而成的配位聚合物。Tomic 在20 世纪60 年代中期报道的新型固体材料即可看作是MOFs的雏形。在随后的几十年中, 科学家对MOFs的研究主要致力于其热力学稳定性的改善和孔隙率的提高,在实际应用方面没有大的突破。直到20世纪90年代, 以新型阳离子、阴离子及中性配体形成的孔隙率高、孔结构可控、比表面积大、化学性质稳定、制备过程简单的MOFs材料才被大量合成出来。其中,金属阳离子在MOFs 骨架中的作用一方面是作为结点提供骨架的中枢,另一方面是在中枢中形成分支, 从而增强MOFs的物理性质(如多孔性和手性)。这类材料的比表面积远大于相似孔道的分子筛,而且能够在去除孔道中的溶剂分子后仍然保持骨架的完整性。因此,MOFs具有许多潜在的特殊性能,在新型功能材料如选择性催化、分子识别、可逆性主客体分子(离子)交换、超高纯度分离、生物传导材料、光电材料、磁性材料和芯片等新材料开发中显示出诱人的应用前景, 给多孔材料科学带来了新的曙光。 随着工业的发展和人们物质生活水平的提高, 人类对能源的需求与日俱增。由于近几十年来使用的能源主要来自化石燃料,其使用不可避免地会污染环境,再加上其储量有限,因此寻找可再生的绿色能源迫在眉睫。氢能作为一种储量丰富、来源广泛、能量密度高的绿色能源及能源载体,正引起人们的广泛关注。MOFs作为新型储氢材料是最近10来年才被报道的,与传统储氢方法材料相比，其最大的特点在于具有更大的比表面积。此外，因金属有机框架具有纯度高、结晶度高、成本低、能够大批量生产、结构可控等优点, 在气体存储尤其是氢的存储方面展示出广阔的应用前景,国内外研究者近年来对其进行了大量的实验改性和理论计算方面的研究工作。 影响金属有机框架储氢能力，除了传统因素，即孔径大小及孔隙率、比表面积、等量吸收热和有机链种类，与金属有机框架所选配体的材料，所选配体的密度也有着紧密的联系。 镁元素位于第二主族，相对分子质量为24.3050，原子体积为:13.97(cm3/mol)。2005年，在Mircea Dinca和Jeffrey R.Long的研究报告中指出，当传统金属有机框架中的过渡金属被镁离子取代而得到新型MOF材料，此类新型MOFs材料保持拥有传统孔隙度的同时，框架结构变得更加开放，储氢容量得到了明显改善；此外，此类材料的合成工艺还适用于Li3+,B3+和Al3+等其他轻质金属。2009年，Zhiyong Guo，Guanghua Li等人所组成的课题组研究表明，镁基金属有机框架具有非常好的荧光性和吸附氢能力，是未来氢能源储存材料的重要发展方向。因此，以镁为配体，制备的轻质镁基金属有机框架以其特有的轻便材质，稳定的多孔结构，选择性气体吸收，内部空间大等优势，将成为了储氢材料发展的主要方向。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题： 1、研究基本内容： ①系统研究反应条件，探索镁基金属有机框架材料的合成方法，研究反应物比例、反应温度、溶剂、pH值、反应时间等因素对产物的影响，优化合成的条件，最终得出最佳的配体合成路线。 ②利用得出的最佳配体合成路线，使用金属镁盐(Mg(NO)3·6H2O)和芳香羧酸配体，按照所探究的合成路线与方法，合成制备镁基金属有机框架，并保存其中良好的化合物单晶。 ③运用X-射线衍射结构分析等方法，对所得到的镁基金属有机框架进行结构、光谱和热稳定性等性能的测定与具体分析。 2、拟解决的主要问题： ①了解金属有机框架材料的组成、结构与性能，掌握金属有机框架材料的制备方法，通过不断改变合成条件（合成方法、原料配比、反应温度、反应时间等）寻找出最佳的配体合成方法。 ②培养化合物单晶，用于X-射线衍射结构分析，需要用多种分析方法和各类仪器，所以需要学习很多仪器使用知识和操作方法，从而进行光谱表征和热稳定性测试，并要对其谱图数据有着准确的分析说明。 三、研究的方法与技术路线： 1、研究方法 ①根据文献中总结的合成方法和经验，考虑比较各种方法制备镁基金属框架材料的优缺点，找出最佳合成路线。 ②按照试验计划，将镁基与过渡金属离子、稀土离子以及混合金属离子等，在传统的水热、溶剂热和溶剂扩散等条件下，通过调节反应物之间的配比、模板溶剂、pH值、反应温度和反应时间等来制备出目的产物--镁基金属有机框架材料。 ③对制备所得的镁基框架材料采用元素分析和红外光谱， X-射线等相关方法技术进行理化性质的分析。 ④有针对性的选择其他配体的金属有机框架材料，与其结构进行相关比较，得到相关比较结果的优缺点。 拟采取的技术路线 本课题讲采取以下研究线路，进行课题的研究与探索：