喷雾干燥结合模板法可控制备多级孔ZIF-8及其应用性能研究
金属-有机骨架材料（metal-organicframeworks，MOFs）是由多齿的有机配体和金属配位中心（金属离子或金属簇）通过自组装形成的具有周期性网络结构的有机无机杂化材料。由于其比表面积大、孔隙率可调和稳定性好等特点，被广泛应用于吸附、传感、气体储存等领域。然而，目前文献报道的大部分MOFs材料的孔径都在微孔范围内（孔径＜2nm），微孔的存在虽然有助于提高比表面积，但是限制了反应物分子在孔道内的传输和扩散，同时阻碍了MOFs材料在大分子反应和分离等领域的应用。迄今为止，合成多级孔MOFs材料的方法主要有延长配体法，模板法，后处理法等。然而，对于多级孔MOFs材料的研究主要集中在两种孔结构MOFs的制备，对于同时包含微孔-介孔-大孔等更丰富孔道结构以满足不同应用需求的新结构多级孔MOFs的报道较少。本论文以ZIF-8为研究对象，基于聚苯乙烯微球模板，采用喷雾干燥技术结合模板法，制备了包含微孔、介孔和大孔的多级孔ZIF-8（HP-ZIF-8），主要考察了喷雾干燥工艺参数、纳米ZIF-8和聚苯乙烯尺寸及其比例等因素对产物形貌、粒径和孔结构的影响；进一步对HP-ZIF-8催化Knoevenagel缩合反应以及吸附氧氟沙星的应用性能进行研究。全文的主要研究内容和结果如下： 1、以纳米ZIF-8为喷干原料，聚苯乙烯微球为模板，采用喷雾干燥结合模板法制备HP-ZIF-8材料。重点考察了喷雾干燥工艺参数、纳米ZIF-8和聚苯乙烯球尺寸及其比例等对所得HP-ZIF-8形貌和孔道结构的影响规律，研究发现：所得HP-ZIF-8的介孔是由纳米ZIF-8之间的紧密排列形成，大孔由聚苯乙球模板去除后形成；改变初始纳米ZIF-8颗粒的粒径可以调控介孔大小，而改变聚苯乙烯模板的粒径和添加比例可以调控大孔结构。较优制备工艺条件：入口温度100℃，进料流率22.5mL/min，压缩气速536L/h，前驱体固含量2wt%，聚苯乙烯粒径400nm，两者添加比例为4∶1。在较优工艺条件下，所得HP-ZIF-8呈球形，平均粒径2μm，具有明显的三级孔道结构，其微孔孔径为1.2nm，介孔孔径为9nm，大孔孔径为400nm。进一步将此方法进行推广，成功制备出形貌和孔结构良好的多级孔HKUST-1。 2、研究了HP-ZIF-8催化Knoevenagel缩合反应的应用性能。考察了催化剂种类、用量和反应物摩尔比等对Knoevenagel缩合反应中苯甲醛转化率的影响，结果表明：HP-ZIF-8可加快Knoevenagel缩合反应进程，提高苯甲醛的转化率，可在3h内实现苯甲醛100%转化，而传统的微米ZIF-8在催化反应进行8h后苯甲醛转化率仅为71%；当催化剂添加量增加到30mg时，可在2h实现苯甲醛完全转化，丙二腈与苯甲醛摩尔比为3:1时，可在1h完成苯甲醛完全转化；HP-ZIF-8催化剂具有良好的循环利用性能，且催化剂的多级孔结构保持完好。 3、进一步研究了HP-ZIF-8吸附水中氧氟沙星的应用性能。探究了吸附温度、离子浓度和吸附剂用量等参数对氧氟沙星吸附效果的影响，结果表明：随着温度的升高，氧氟沙星的吸附容量逐渐增大；在KCl盐溶液中的吸附容量最高；当HP-ZIF-8吸附剂添加量为2mg时，吸附容量可达到674mg/g；进一步对吸附过程进行了吸附动力学模型拟合，符合拟二级动力学模型，化学吸附占主导地位；同时，利用吸附实验的数据进行吸附等温线拟合，结果符合Freundlich等温吸附模型。
多级孔ZIF-8;喷雾干燥;模板法;Knoevenagel缩合;氧氟沙星吸附
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
王洁欣
2022
中文
O641.4;O643.36;O644.1
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）