论文总字数：29700字

摘 要

金属有机骨架材料在近三十年取得了巨大的进展，相继报道了数万种不同的金属有机骨架结构。由于其超高的孔隙率、比表面积、丰富的拓扑学结构以及其孔道的可调节性使得该材料在气体的气体存储、膜分离、催化以及质子传导等领域具有极大的应用潜力。本论文，我们设计合成了一种含有羧基、含氮杂环的新型有机配体。对配体进行和红外（IR）和核磁的表征，确定了配体的结构。采用溶剂热法和二价铜离子进行晶体生长。通过多次尝试，在N,N-二甲基甲酰胺和水溶剂体系中成功合成蓝色棒状晶体。单晶X衍射测试确定了该晶体的配位模式以及骨架结构{[Cu₂(5-(1H-imidazol-1-yl)nicotinic acid)₂OH]Cl}·xsolvent（NTU-27）。粉末衍射PXRD进一步确认晶体结构的正确性和体相纯度。氮气吸脱附实验表明该化合物比表面积（BET）达到821m²/g。室温下该化合物表现出对二氧化碳和甲烷的不同吸附能力，显示NTU-27对两种气体具有一定的分离能力。

关键词：金属有机骨架 咪唑 溶剂热法 气体分离

Design and Synthesis of High Porosity Porous Coordination Polymers

Abstract

Metal organic framework materials in the past three decades has made great progress, tens of thousands of different metal organic frameworks have been reported. Due to its high porosity, specific surface area, rich topological structure and its tunability, the material has great potential in gas storage, membrane separation, catalysis and proton conduction. In this paper, we have designed and synthesized a novel organic ligand containing carboxyl group and nitrogen containing heterocyclic ring. The structure of the ligand was determined by the characterization of the Infrared Spectroscopy (IR) and Nuclear Magnetic Resonance. Choosing the copper ions as the metal center, the blue rod-shaped crystals were successfully synthesized in N, N-dimethylformamide and aqueous solvent systems. The structure of the crystal {[Cu (5- (1H-imidazol-1-yl) nicotinic acid) ₃H₂O] Cl} xsolvent (NTU-27) was determined by single crystal X-ray diffraction. Powder X-ray diffraction (PXRD) further confirmed the correctness and purity of the crystal. The N₂ adsorption result show that the specific surface area (BET) of the compound reached 821m²/ g. The compound exhibits a different adsorption capacity for carbon dioxide and methane at room temperature, indicating the separation ability of NTU-27 for carbon dioxide and methane.

Key Words: Metal-Organic Frameworks; Imidazole; Solvent thermal method; Gas separation

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 金属-有机骨架材料简介 1

1.2 MOFs的合成方法 1

1.2.1 水热合成法 4

1.2.2 溶剂热法 4

1.2.3 超声法 5

1.2.4 微博辅助合成法 5

1.2.5 其他方法 5

1.3 MOFs的特点 6

1.4 MOFs材料气体存储应用 7

1.4.1氢气存储 7

1.4.2 甲烷存储 8

1.4.3 CO₂气体存储 10

1.5 MOF材料气体分离应用 11

1.5.1 轻质烃的分离 11

1.5.2 CO2气体分离补集 11

1.5.3 其他气体的分离 13

1.6 本课题的选题意义及工作 14

第二章 实验部分 15

2.1实验的目标和选择 15

2.2试剂与仪器 15

2.3实验步骤和结果 16

2.3.1实验步骤 16

2.3.2配体的分离提纯 17

2.3.3 晶体的生长 17

第三章 结果表征和分析 19

3.1配体的表征与分析 19

3.1.1 配体红外（IR）表征 19

3.1.2 配体核磁（NMR）表征 20

3.1.3小结 21

3.2晶体的表征 21

3.2.1 晶体照片 21

3.2.2晶体结构解析 21

3.2.3红外 25

3.2.4热重(TG) 25

3.2.5 X射线衍射(XRD) 26

3.2.6吸附性能 27

3.2.7 选择性计算 28

3.2.8 吸附焓计算 28

3.2.9小结 29

第四章 结论与展望 30

参考文献 31

致谢 34

第一章 绪论

1.1 金属-有机骨架材料简介

金属有机骨架化合物（Metal-Organic Frameworks，MOFs）是一种由含氧或者含氮以及含氮杂环的有机配体与金属离子或次级结构单元（SBUs）通过配位键连接形成具有规则孔道和周期性网络结构的一种多孔材料。作为一种新型的有机无机杂化材料，MOF材料因其永久孔隙率、丰富的拓扑结构以及可调的孔道尺寸受到人们的青睐。

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