论文总字数：16205字

摘 要

偶氮苯及其衍生物具有在紫外光照射或加热条件下发生可逆光致异构化的特性。另一方面，由于人们对环境和可持续发展的要求，二氧化碳的吸附的研究越来越受到科学家的关注。通过对介孔二氧化硅进行氨基化处理来实现对二氧化硅材料的功能化，再把含有偶氮苯基团的物质负载到氨基化的介孔分子筛中，通过外部刺激改变材料性质达到选择性吸附二氧化碳的目的。

本文首先根据文献报道在碱性条件下合成介孔分子筛MCM-41，通过后嫁接法将偶氮苯衍生物和胺源引入到介孔分子筛MCM-41孔道中，最后制得吸附剂样品。该方法不仅构思精巧，而且制得的吸附剂里面的光响应分子分散均匀，吸附剂结构有序性较好。对光响应吸附剂进行了一系列的表征，测定了吸附剂对不同分子大小的吸附质的吸附情况以及脱附情况。

关键词：光响应；偶氮苯；MCM-41分子筛；二氧化碳吸附

Preparation and Properties Exploration of Highly Light Control Selective Adsorbents Containing Azobenzene

ABSTRACT

Azobenzene and its derivatives have the characteristics that it will occur reversible light-induced isomerization when it is exposed to ultraviolet light or heated. On the other hand, due to the requirements of the environment protection and sustainable development, the adsorption of carbon dioxide is attracting more and more scientists attention. Scientists make silica amination to achieve the silica materials function. The are loaded to molecular sieve, so that micro structure of material changes with external conditions.

Firstly, according to reports, we make molecular sieve in alkaline environment. Then load azobenzene groups and amine source in the pore of molecular sieve. Finally we get adsorbent samples. The method is not only skillful, but also has better structure. A series of characterization tests were carried out, to determine the adsorption and desorption capability.

Key Words：Light response; Azobenzene; MCM-41 molecular sieve; Carbon dioxide adsorption

目 录

摘 要 II

ABSTRACT III

第一章 绪论 1

1.1背景介绍 1

1.2二氧化碳固体吸附剂的种类和特性 1

1.2.1低温吸附剂 1

1.2.2中温吸附剂 2

1.2.3高温吸附剂 2

1.3偶氮苯的分子结构及光致异构机理 2

1.3.1偶氮苯分子结构和光谱特征 2

1.3.2偶氮苯光致异构化机理 4

1.4 MCM-41分子筛 5

1.4.1分子筛发展简史 5

1.4.2 MCM-41的制备方法 5

1.5不同类型的光响应可逆控制释放系统 6

1.5.1基于偶氮苯衍生物的光响应可逆控制释放系统 6

1.5.2基于不同类型的光响应可逆控制释放系统 6

1.6本课题的主要研究内容 7

第二章 实验仪器和实验方法 8

2.1 实验仪器和材料 8

2.2 实验方法和实验步骤 9

2.2.1 MCM-41分子筛的制备 9

2.2.2 偶氮苯衍生物TSUA的制备 9

2.2.3 TSUA和胺源的负载 9

第三章 结果与讨论 11

3.1 TSUA的表征 11

3.2 MCM-41分子筛和负载TSUA和胺源后表征 12

3.2.1 XRD表征 12

3.2.2 红外表征 12

3.2.3 BET比表面和孔隙结构分析 13

3.3 光响应吸附剂的应用 15

第四章 结论与展望 16

4.1 结论 16

4.2 展望 16

参考文献 18

致 谢 21

第一章 绪论

1.1背景介绍

随着人们对绿色、环保、低碳的要求，控制二氧化碳的排放已经成为现在研究的热点问题，常用的方法有：吸附、吸收和反应等。因二氧化碳的固体吸附剂具有可循环使用、吸附性能好、回收方便等优点得到了广泛的应用。但一般的固体吸附剂都无法控制吸附过程，为了克服固体吸附剂不可控制的缺点。我们决定引入偶氮苯分子，利用其对光的敏感性（偶氮苯分子能够在光照下发生异构现象，从而导致分子长度的变化）嫁接在分子筛上，从而达到一种可由外场控制的吸附过程。本文就着重探究这种可控的二氧化碳固体吸附剂。

1.2二氧化碳固体吸附剂的种类和特性

二氧化碳吸附剂按吸附时的温度高低可以分为三种：低温吸附剂、中温吸附剂、高温吸附剂；按照组成材料的性质又可以分为离子交换纤维类、陶瓷及金属氧化物类、多孔材料类。根据我们研究的需要和实际的情况，我们研究方向是低温吸附剂里的多孔材料类别。

1.2.1低温吸附剂

低温吸附剂的吸附温度低于200 ℃，包括分子筛吸附剂、碳基材料、金属有机骨架材料、碳酸盐类。由立方晶格的多孔结晶硅酸盐或硅铝酸盐组成的分子筛内部具有四面体相连而成纳米级的空腔。其中互相连接的微孔，能吸附比孔道直径小的分子，而排斥比孔道大的分子，所以能把化学性质不一样的分子分离开，因此可以做为二氧化碳的吸附剂^[1-2]。碳基材料吸附是利用碳基与二氧化碳的物理吸附作用。因为碳基材料的多孔结构的比表面积很大，常温常压下就具有较高的吸附量。相比较来说，碳基吸附剂有很多优点，原料来源广泛，制造成本低廉，易于循环使用，且易于改性。但缺点就是吸附剂是物理吸附剂，与CO₂相互作用不强，导致吸附剂对二氧化碳的选择性较差，随着吸附温度的升高，吸附剂的吸附量会明显降低^[3-4]。金属有机骨架材料又称MOFs是2000年以来迅速兴起的配位聚合物材料，它内部孔道具有三维结构，即以金属离子为中心连接点，其余的有机配体位作为支撑构成空间的立体延伸，是一种十分重要的新型多孔材料，在气体分离工艺中具有广泛的应用。因为MOFs比表面高和孔容大，吸附量高、孔结构规整可调，还可化学改性的优点，所以这类材料广泛受到吸附学者的研究。但同时也发现该类材料一些缺点：选择性差 ^[5-9]。

1.2.2中温吸附剂

中温吸附剂的吸附温度在200～400℃，常见的中温吸附剂类水滑石，是由钙和铝等金属元素构成的材料，有强碱性以和性质稳定的优点，而且循环利用较为方便，但缺点是吸附量低，更重要的是这类材料会随着温度的升高，而导致吸附量的降低，所以无法满足工业应用要求。

1.2.3高温吸附剂

高温吸附剂的吸附温度在400℃以上，常用的吸附剂有CaO，LiZrO3和 Li4SiO4等。氧化钙基吸附剂和锂基吸附剂是目前主要研究的热点。锂盐可以直接用于高温吸附，但是缺点是吸附剂制造成本高，因而不易工业化生产。而氧化钙吸附剂因为在自然界中以碳酸钙的形式存在广泛，所以是氧化钙可以商业利用得天独厚的条件^[10]。

1.3偶氮苯的分子结构及光致异构机理

1.3.1偶氮苯分子结构和光谱特征

两个由偶氮桥键连接苯环的分子的结构叫偶氮苯。偶氮苯分子具有两种构体，在光照之下可以发生相互之间的异构变化。一种异构体是平面反式异构体，这种状态比较稳定。另外一种是顺式异构体，相比较于上种异构体，这种结构并非稳定状态。偶氮苯及其衍生物是最典型的光响应变色分子之一^[11-13]，在紫外或可见光照射下可在顺式（cis）和反式（trans）之间发生完全可逆的光致异构化^[14-18]。在含有偶氮苯的体系中会出现多种不同的光响应行为比如光致取向、光化学相转变等，而这些特性也是偶氮苯分子及其衍生物可用于光开关、光信息存储、人工分子马达以及其它具有光学性能的材料研发的基础条件。由于偶氮苯类化合物不同的光谱特点，Sing等^[19]将其分成偶氮苯、氨基偶氮苯和假芪式偶氮苯三类（如图1. 1）

图1.1 三种类型的偶氮苯

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