轻质镁基金属有机框架材料的合成与结构研究【开题报告】

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)

3·6H

2

O)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。

2、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：

“查找中外文献→对所得到的文献理论知识与研究历史背景等资料进行总结和归纳→通过研究分析，得出合成镁基金属有机框架的最优方法→合成镁基金属有机框架材料→进行材料结构理化性质分析→总结得出研究成果→撰写论文”

这一合理研究路线实施本课题。

四、研究的总体安排与进度：

2010年10月-2010年11月：确定论文的研究课题，查阅相关文献资料，了解选题的背景与意义，明确研究方向；

2010年11月-2010年12月：深入熟悉课题研究的主要内容、需解决的问题、研究的方法和技术路线，书写任务书，对文献进行整理及学生开题；

2011年1月-2011年3月：学生实验：合成镁基金属有机框架材料，并研究其结构、光谱、热稳定性，对合成的材料进行相关性能的测试实验；

2011年4月-2011年5月：学生论文书写：四月初拟写初稿，然后对其进行修改，四月末定最终论文稿；

2011年5月-2011年6月：论文答辩。

五、主要参考文献：

1.Mircea Dinca, Jeffrey R. Long,Strong H

2

Binding and Selective Gas Adsorption

within the Microporous Coordination Solid Mg

3(O

2

C-C

10

H

6

-CO

2

)

3

[J].Am. Chem. Soc.,

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