论文总字数：24160字

摘 要

作为新一代的多孔材料，金属有机骨架(metal organic frameworks,MOFs)因其独特的孔结构和比表面积而具有许多应用，其中包括气体存储，气体分离，传感，催化，药物输送和生物成像等。通过金属离子/金属簇与有机配体的结合，我们能够精确设计和可控合成具有拓扑结构的多孔MOF，而且还能够合理地控制孔径来诱导其进行不同主客体间的相互作用或识别。本文主要致力于设计合成功能性MOF，并研究其在C₂H₂/CO₂体系中对C₂H₂的选择性分离能力，主要研究如下：

以5-溴间苯二甲酸甲酯、频哪二醇硼、硒酚和N-溴代丁二酰亚胺为原料，经过一系列的反应合成带有硒酚位点的有机配体，然后用有机配体与三水合硝酸铜通过水热合成法制得多孔晶体，这个晶体命名为NTU-56。经过X-射线对晶体进行结构表征，我们发现NTU-56是有着5.5 Å多孔通道的拓扑结构。此外，热重分析表明该晶体在300 ^oC以前能够稳定存在。并且通过气体吸附性能测试发现在环境温度下NTU-56的框架对C₂H₂/CO₂体系具有良好的分离能力。

关键词：金属有机骨架 气体分离 可控合成 精准设计

Synthesis of Metal Organic Framework and Application of C₂H₂/CO₂ Gas Separation

ABSTRACT

As a new generation of porous materials, metal organic frameworks have many applications, including gas storage, gas separation, sensing, catalysis, drug delivery and bioimaging, due to their unique pore structure and specific surface area. Through the reasonable combination of metal ions / metal clusters and organic ligands, we can accurately design and controllably synthesize a porous MOF with topological structure, and we can also reasonably control the pore size to induce its interaction or recognition between different hosts and guests. This article is mainly devoted to the design and synthesis of functional MOF, and to study its selective separation ability for C₂H₂ in C₂H₂ / CO₂ system. The main researches are as follows:

We use methyl 5-bromoisophthalate, Bis(pinacolato)diboron, selenol and N-bromosuccinimide(NBS) as raw materials to synthesize organic ligands with selenol sites through a series of reactions. Then we use organic ligands and copper nitrate trihydrate to synthesize porous crystals by hydrothermal synthesis. This crystal is named NTU-56. After X-ray structural characterization of the crystal, it was found that NTU-56 is a topology with 5.5 Å porous channels. In addition, thermogravimetric analysis showed that the crystals were stable before 300 ^oC. Through the gas adsorption performance test, it is found that the NTU-56 framework has good separation ability for the C₂H₂/CO₂ system at ambient temperature.

KEYWORDS：Metal organic frameworks；Gas separation；Controlled synthesis；Hydrothermal synthesis

目 录

摘 要 I

ABSTRACT i

第一章 文章综述 1

1.1 引言 1

1.2 MOF材料简介 1

1.2.1 多孔结构以及高比表面积 2

1.2.2 MOF开放的金属位点 4

1.2.3 MOF的可设计性 4

1.3 MOF材料的合成方法 6

1.3.1 水热合成法 6

1.3.2 机械法 6

1.3.3 电化学合成法 7

1.3.4 微波合成法 7

1.4 MOF材料的应用 8

1.4.1 MOF对CO₂的捕获 8

1.4.2 MOF对C₂H₂/CO₂的分离 9

1.4.3 MOF材料的催化应用 10

1.4.4 MOF材料的磁性能 11

1.5 本课题的目的和研究意义 11

第二章 配体合成与表征 13

2.1 实验试剂与仪器 13

2.2 配体的合成 14

2.2.1配体合成 14

2.3 核磁共振氢谱分析 15

第三章 晶体合成与基本性质表征 16

3.1 晶体的合成 16

3.2 晶体结构分析 16

3.3 红外光谱分析 18

3.4 粉末X-射线衍射分析 19

3.5 热重分析 20

3.6 气体吸附性能测试 20

第四章 结论 22

参考文献 23

致谢 26

文章综述

1.1 引言

在近二十年里，由金属离子/金属团簇和多齿有机连接物通过配位作用自组装而成的金属有机骨架（MOF）极大地丰富了多孔材料的领域。由于组分几何、尺寸和功能的多样性，多孔MOF材料具有各种各样的优点^[1]，例如良好的热稳定性、离散有序的结构、超低的密度、大于6000 m²/g的内比表面积以及易于合成等^[2]。事实上，MOF的大多数研究仍然集中在气体捕获和储存方面，除了捕获气体这种显著功能外，MOF在诸如催化、荧光、和生物技术等领域也开始蓬勃发展^[3]。

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