金属-有机框架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)材料是由金属离子(Metal ions)或金属原子簇(Metal Clusters)作为节点(Nodes)或二级结构单元(Secondary building units(SBUs))和多功能有机配体作为连接体(Linker)通过配位...
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金属-有机框架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)材料是由金属离子(Metal ions)或金属原子簇(Metal Clusters)作为节点(Nodes)或二级结构单元(Secondary building units(SBUs))和多功能有机配体作为连接体(Linker)通过配位键组装而成的一种具有周期性网络结构的晶态多孔材料。MOFs材料的高比表面积、高孔隙率、可调控性框架结构、易于功能化等诸多物理化学特性使其在能源、环境污染治理、催化(光催化,电催化,生物催化)、纳米材料、光电功能材料、化工等很多领域具有广阔的应用前景。随着MOFs领域的不断发展,如何通过合理设计有机配体和金属节点来构筑具有特定功能的MOFs材料,是当前化学领域的研究热点。当使用两种或两种以上具有不同尺寸、形状和配位特征的有机配体时,就会发生不同配体与金属的协同配位,获得具有可设计的拓扑结构、可调的孔隙率和功能性,以及可变的表面环境的多功能MOFs材料。其中,以含氮杂环和羧酸配体为代表的混合配体策略是多功能MOFs定向设计过程中应用较为广泛的分支。通过混合配体构建的二维金属有机骨架材料不仅继承了传统MOFs独特的结构优势,还具有二维材料的诸多优点,如丰富的活性位点、独特的π-π堆积和d-π共轭作用,以及优异的导电性等,在电催化、光催化等领域都具有潜在的应用价值。本论文主要以吡啶衍生物和羧酸有机配体与过渡金属离子共同组装了五个结构新颖的二维功能性MOFs材料,研究了其在光催化降解、电催化方面的应用。另一方面,由于具有异质结构的复合材料、掺杂材料以及无定型MOFs材料在充分利用MOFs结构优势的基础上,改善固有缺陷,赋予其更广泛的应用价值。掺杂材料中不同金属的电荷转移能力的差异以及相邻金属之间的协同作用,可以显著提高电荷容量、电子传递效率以及电催化活性。本论文还尝试了通过掺杂改性来提高材料的电催化性能,主要内容如下:(1)以3,5-双-4-吡啶基-4H-1,2,4-三氮唑-4-胺(4,4’-abpt)和3,6-二吡啶-3-基-(1,2,4,5)-四嗪(3,3’-bptz)为主配体,2,5-呋喃二羧酸、1,3-金刚烷二羧酸和4,4-二羧基二苯醚作为辅助配体,在溶剂热条件下与过渡金属离子自组装构建出五个新型二维MOFs:[Ni(4,4’-abpt)(2,5-fdca)HO]_n(1),[Co(4,4’-abpt)(2,5-fdca)HO]_n(2),[Co(4,4’-abpt)(1,3-abc)]_n(3),{[Co(3,3’-dptz)(4,4’-oba)]_n(DMF)}(4),[Cd(3,3’-dptz)(4,4’-oba)]_n(5)。其中,配合物1和2具有相同的sql拓扑结构,且具有小分子HO参与配位。配合物3是双核二维渔网结构,具有良好的热稳定性和合适的禁带宽度。配合物4和5的金属构筑单元和拓扑结构与配合物3相似,并且配合物4的孔隙结构中存在DMF溶剂分子。此外,继承了Cd金属离子的特性,配合物5展现出一定的荧光性能。(2)在催化性能探究实验中,配合物1-3都表现出光催化和电催化双重功能。在无光敏剂和助催化剂的条件下,配合物1-3在紫外光驱动下对结晶紫、亚甲基蓝和罗丹明B染料表现出不同的降解效果。配合物1和2仅对结晶紫表现出较好的降解效果,且Co基配合物2催化效果略优于Ni基配合物1。由于合适的带隙和较好的光吸收能力,配合物3能在30 min内降解90%以上的染料,并且对三种染料均表现出高效的催化效果,具有良好的普适性和稳定性。三个配合物的降解机理探究结果表明,·OH自由基是引起光催化反应的主要物种。不仅如此,配合物1-3还具有一定的电催化性能。LSV曲线结合Tafel斜率、C和电化学阻抗参数表明配合物1的性能最好,其次是配合物2和配合物3。(3)以配合物4为基底材料,在机械研磨过程中通过配合物的晶面调控和Fe元素掺杂来制备具有高效性能的电催化剂,并从微观形貌,电子结构,化合价态等方面分析掺杂改性过程对材料催化性能的影响。结果显示,在Fe元素掺杂过程中基底Co-MOFs存在晶型转变,非晶结构的整合给材料带来大量的表面活性位点,提高了电子转移速率,Fe元素的掺杂通过协同效应改变了金属中心的电子环境。研究发现,Fe的掺杂量的大小对催化性能的影响较大,通过对比实验找到了最优化的掺杂量。优化后的Fe@Co-MOFs-3催化剂具有无定型结构,并在碱性溶液中表现出优异的OER和HER性能,最佳OER驱动电位可达248 m V(50 m A·cm),相比改性前,驱动电位改进了近150 m V;而HER驱动电位为151 m V,比原始MOFs降低了55 m V。此外,优化后的Fe@Co-MOFs-3催化剂在50 m A·cm的电流密度下能
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