绿色环保机械设计论文提纲

论文题目：金属有机框架及其复合材料的制备与环境应用研究

摘要：金属有机框架（MOFs）是一类由有机连接单元连接无机单元（金属离子或簇）构筑的有机无机杂化晶态多孔材料。MOFs有序网络结构的多变性,可设计性、可修饰性、以及超大比表面积赋予了其巨大的应用价值,尤其是在环境应用领域引起了研究者的广泛关注。20世纪以来,MOFs在合成、晶体工程、功能和应用等方面都取得了巨大的进展。但是,以功能为导向的MOFs及其复合材料的绿色快捷设计合成策略的开发仍然是MOFs材料研究领域的热点。本论文结合MOFs现有宝贵研究成果,从设计具有环境应用价值的功能MOFs及其复合材料角度出发,以开发绿色环保,方便快捷的功能MOFs及其复合材料设计合成方法为主要目的,采用,溶剂热,合成后修饰以及绿色环保的固相热压工艺设计合成了一系列功能MOFs和含MOFs复合材料,并研究了制备材料在环境领域的应用,为MOFs功能化设计和加工成型提供了重要借鉴。主要研究成果如下:1.以设计合成对温室气体CO2具有特殊亲和力的MOF为目的,利用含吡唑和羧酸双功能基团的有机配体与七种镧系金属离子构筑了一系列孔道被NO3-未配位O原子和吡唑基团修饰的三维（3D）多孔Ln-MOFs。其中,Eu-MOF在CO2与N2或CH4的二元混合气体中展现了良好的CO2选择性吸附性能。蒙特卡洛（GCMC）模拟分析表明孔道表面未配位的O原子和吡唑活性基团对提高Eu-MOF与CO2分子间亲和力具有重要作用,为开发具有优异CO2选择性吸附的MOF提供了一定的借鉴。2.以软硬酸碱理论为指导,采用反应条件温和的合成后修饰（PSM）的方法在NH2-MIL-68（In）骨架上嫁接巯基乙酸制备了可选择性吸附Hg（II）的SH-MIL-68（In）。吸附动力学曲线和等温吸附曲线研究表明SH-MIL-68（In）对Hg（II）具有快的吸附速率(吸附常数k2=1.25 mg g-1 min-1)和大的最大吸附量(qmax=450.36 mg g-1)。此外,X-射线光电子能谱（XPS）分析表明SH-MIL-68（In）孔表面丰富的软碱性-SH活性位点是其具有优异Hg（II）选择性吸附性能的主要原因。3.基于稳定性In基MFM-300（In）,采用新颖的原位固相热压工艺通过调控原料中H2PW12O40(PW12)的含量制备了一系列功能PW12@MFM-300（In）材料,克服了杂多酸（POMs）作为多相催化剂比表面积低而作为均催化剂难回收的缺陷,实现了POM@MOF复合材料的绿色快速合成。催化实验表明制备的系列PW12@MFM-300（In）复合材料对有害物质磺胺二甲嘧啶（SMT）具有优异的催化降解活性,其中4-PW12@MFM-300（In）在2 h内对SMT的降解效率可达98%以上。同时,该复合材料本身还具有优秀的循环利用稳定性,8次循环利用催化活性仍可达到81.3%。机理研究表明复合材料中PW12的成功负载可促进了电子-空穴对的有效分离,进而赋予4-PW12@MFM-300（In）优异的光催化活性。4.以克服晶状粉体MOFs的固有缺陷为目的,以稳定的MFM-300（In）为功能涂层材料,利用绿色环保的固相热压工艺将其负载到Cotton,Polyester和Aramid三种纺织纤维（Textiles）基底表面制备了一系列具有紫外相防护性能的柔性MFM-300（In）@Textiles复合纺织纤维材料,实现了MFM-300（In）@Textiles复合材料的无溶剂合成。紫外线透防护能测试表明制备的系列MFM-300（In）@Textiles复合材料在水蒸气透性,柔性和机械性能损失很小的情况下展现了优异的紫外线防护性能,在280～315 nm波长范围内紫外线屏蔽效果可以达到99%以上,为MOFs材料加工成型与新功能的开发提供了新的思路。5.将MIL-53（Al）,ZIF-8和UiO-66三种经典MOF作为涂层材料通过固相原位热压工艺负载到Cotton,Polyester和Aramid三种纺织纤维基底表面制备了一系列柔性MOFs@Textiles复合纺织纤维材料,扩展了MOFs@Textiles复合材料体系。空气过滤实验表明制备的MOFs@Textiles系列复合材料具有优异的空气颗粒污染物（PM）过滤性能以及良好的清洗在利用性,其中MIL-53（Al）@Aramid在PM2.5浓度为280μg m-3,PM10浓度为360μg m-3的恶性空气环境下对PM2.5和PM10的过滤效率分别可达95.30%和96.11%。

关键词：金属有机框架;合成后修饰;光催化;纺织纤维;复合材料

学科专业：材料化学

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 金属有机框架概述

1.2 MOFs在环境领域的应用

1.2.1 MOFs用于环境污染物的检测分析

1.2.2 MOFs用于环境污染物的去除

1.3 合成后修饰功能化MOFs

1.3.1 合成后修饰有机功能化MOFs

1.3.2 合成后修饰金属功能化MOFs

1.4 含MOFs复合材料

1.4.1 MOF-杂多酸复合材料

1.4.2 MOF-有机聚合物复合材料

1.4.3 MOF-纤维复合材料

1.5 本论文的选题意义和研究成果

1.5.1 本论文的选题意义

1.5.2 本论文的主要研究成果

参考文献

第二章 微孔表面功能化MOF用于CO_2的选择性吸附

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 原料和试剂

2.2.2 仪器和设备

2.2.3 合成Ln-MOFs

2.2.4 晶体数据收集与精修

2.3 结果与讨论

2.3.1 晶体结构描述

2.3.2 X-射线粉末衍射和热重

2.3.3 气体吸附分离

2.3.4 主-客体作用研究

2.4 本章小结

参考文献

第三章 合成后修饰-SH功能化MOF用于水相中Hg(II)选择性吸附

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 原料和试剂

3.2.2 仪器设备

3.2.3 合成NH_2-MIL-68(In)

3.2.4 合成SH-MIL-68(In)

3.2.5 重金属离子吸附实验

3.3 结果和讨论

3.3.1 合成

3.3.2 X-射线粉末衍射

3.3.3 红外光谱

3.3.4 元素分析

3.3.5 N_2等温吸附-脱附曲线

3.3.6 p H对 Hg(II)吸附性能的影响

3.3.7 SH-MIL-68(In)对Hg(II)的选择性吸附

3.3.8 Hg(II)的等温吸附实验

3.3.9 Hg(II)的吸附动力学实验

3.3.10 Hg(II)的吸附机理

3.3.11 SH-MIL-68(In)的循环再利用性能

3.4 本章小结

参考文献

第四章 固相原位热压法制备POM@MOF复合材料作为高效可回收光催化剂

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 原料和试剂

4.2.2 仪器设备

4.2.3 合成MFM-300(In)

4.2.4 合成PW12@MFM-300(In)

4.2.5 光催化降解实验

4.2.6 电化学测试方法

4.2.7 Zeta电位测试

4.3 结果和讨论

4.3.1 合成

4.3.2 X-射线粉末衍射

4.3.3 红外光谱

4.3.4 N_2等温吸附-脱附线

4.3.5 形貌表征

4.3.6 X-射线光电子能谱

4.3.7 光催化降解SMT

4.3.8 催化剂的稳定性和重复利用性能

4.3.9 催化机理

4.4 本章小结

参考文献

第五章 固相原位热压法自组装MOF作为纺织纤维紫外线防护涂层

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 原料和试剂

5.2.2 仪器设备

5.2.3 合成MFM-300(In)

5.2.4 合成MFM-300(In)@Textiles

5.2.5 色度测试

5.2.6 紫外线防护测试

5.2.7 静态接触角测试

5.2.8 纺织纤维透湿性测试方法

5.2.9 机械拉伸测试

5.3 结果与讨论

5.3.1 合成

5.3.2 X-射线粉末衍射

5.3.3 形貌表征

5.3.4 红外光谱和X-射线光电子能谱

5.3.5 色度分析

5.3.6 紫外线防护性能

5.3.7 表面亲水性表征

5.3.8 柔性和稳定性

5.3.9 机械性能

5.4 本章小结

参考文献

第六章 固相原位热压法制备MOFs@Textiles复合材料作为高效柔性PM过滤薄膜

6.1 引言

6.2 实验部分

6.2.1 原料和试剂

6.2.2 仪器设备

6.2.3 合成MOFs@Textiles

6.2.4 PM过滤试验方法

6.2.5 机械拉伸测试

6.3 结果与讨论

6.3.1 合成

6.3.2 X-射线粉末衍射

6.3.3 形貌表征

6.3.4 元素分析

6.3.5 N_2等温吸附-脱附曲线

6.3.6 红外光谱和拉曼光谱

6.3.7 MOFs@Textiles的 PM过滤性能

6.3.8 MOFs@Textiles的柔性和稳定性

6.3.9 机械性能

6.4 本章小结

参考文献

结论与展望

致谢