基于金属-有机配位化合物的有序介孔金属氧化物制备和性能研究

Ordered mesoporous metal oxides，as a kind of new functional materials，has very important application in catalysis, separation, adsorption, optoelectronics and environmental fields.However, controlled synthesis and directed assembly of mesoporous oxides with specific function and structure is still a urgent and fundamental scientific question. This project based on features of the porous structure that can be easily designed, controled and modified in the meta-organic coordination compounds, to select different structure and shape of the organic ligand, synthesis the carboxylic acid coordination polymers with different topological space structure and the secondary building unit. A simple pyrolysis oxidation method is used for preparing ordered mesoporous metal oxides with diverse mesoporous structure due to the metal ion coordination can inherit the original spatial structure of polymers. This is a novel route for controllable synthesis and directed assembly of ordered mesoporous metal oxide.Influence of the organic ligands and metal network on porous structure of metal oxide, and its physical and chemical association, will be investigated. By investigation of gas adsorption, catalytic, optical，electrical and magnetic properties of the mesoporous oxide, explore the relationship of solid structure and material properties.

有序介孔金属氧化物作为一种新兴的功能材料在催化、分离、吸附以及光电子学、环境学等领域有非常重要的应用，然而具有特定功能和结构的介孔氧化物材料的可控合成与定向组装仍是当前亟待解决的基本科学问题。本课题基于金属-有机配位化合物的多孔结构可设计、可调控、可修饰的特点，拟选取各类含多孔结构的羧酸类金属配位聚合物为模板，通过选择不同结构和形状的有机配体，设计合成具有不同拓扑空间结构和次级建筑单元的框架化合物前体，通过金属元素在聚合物前体中空间结构的继承关系，用简单热解氧化法实现具有不同多孔结构的介孔金属氧化物制备，获得一种有序介孔金属氧化物定向组装与可控合成的新方法。系统研究有机配体与金属离子的网络构成对金属氧化物多孔结构的影响规律和物理化学关联，并深入研究材料的气体吸附、催化、光电磁等性质，探索固体结构与物质性能的构效关系。

本课题基于金属-有机配位化合物（MOFs）多孔结构可设计、可调控、可修饰的特点，设计合成具有不同拓扑空间结构和次级建筑单元的框架化合物前体，通过金属元素在聚合物前体中空间结构的继承关系，获得一种介孔金属氧化物定向组装与可控合成的新方法,并深入研究材料在吸附、离子导电体和电化学储能等方面的应用。. 合成制备了Zr基金属有机框架UiO-67，采用气相法在其孔道内引入咪唑分子，组装imidazole@UiO-67复合体系，研究表明，由于咪唑分子在微孔内的局限效应，在无水状态下，该复合体系具有较高的质子电导率（120 °C 下的离子导电率为1.44 × 10−3 S/cm），由此获得了一类基于MOFs的新型离子导电复合体。. 合成制备了Zr基金属有机框架UiO-66，通过热解碳化的方法获得了ZrO2-C复合材料，该复合体系具有较高的比表面积，对有机染料刚果红具有明显的吸附作用。 . 自组装包含Zr-O和Y-O混合次级单元的有机框架Y/Zr- UiO-66,通过二次热解的方法获得钇稳定氧化锆固体电解质，系统研究了其氧离子导电性能，该方法为制备其他类型的氧离子导体提供了一种新的可控制备手段。. 通过自组装具有相同拓扑结构不同有机链长度的Al基金属有机框架MIL-53和DUT-5前体, 制备获得氧化铝纳米片和纳米卷，研究发现不同长度的有机配体对氧化物生成物的形貌有明显的影响,通过MOFs前体的设计，可实现氧化物生成物的结构调控。通过碳化DUT-5前体，获得具有高比表面积(SBET=415.2 m2/g)的二维片状纳米碳结构, 该材料在KOH 电解液中具有较高的比电容(在0.5 A/g 下达100 F/g)。 组装对称型双电层电容器，在6M KOH中的工作电压可扩展到1.5V, 在1384 W/kg功率密度下, 能量密度可达3.0 Wh/kg。. 自组装核壳结构有机配体前体ZIF-8@ZIF-67，经两步法热处理获得Co3O4/ZnO纳米异质结。由于特殊的异质结结构产生了两种氧化物在纳米尺度上的协同效应，缩短了离子和电子的传输路径，使得该材料在KOH 电解液里具有高的比电容（在0.5 A/g 下达415 F/g）。同时，该异质结与碳材料组装成非对称混合型电容器时，在6M KOH水溶液中，能量密度可达43.2 Wh/kg。