配位聚合物纳米材料的可控制备及其吸附重金属离子和染料的研究

For the increasingly serious problem of water pollution, coordination polymer nanomaterials with various structures and morphologies, small size and large specific surface area, are expected to become novel and high efficient adsorbents for wastewater treatment. The project intends to prepare a series of coordination polymer nanomaterials by reaction of inexpensive and easily obtained ligands with metal salts, via facile solution-phase methods. We will research the factors influencing the structure and morphology of coordination polymer nanomaterials, such as the pH value of the reaction system, reaction time, temperature, use of surfactants and coordination modulators and the concentration of reactants, to reveal the growth mechanism. We plan to systematically investigate the performances of as-obtained coordination polymer nanomaterials as adsorbents on removing heavy metal ions and dyes in the water, delve into effects of the adsorption time, temperature, pH value, and initial concentration of heavy metal ions or dyes on adsorption, use kinetic, thermodynamic and equilibrium models to fit the experiment data, and primarily elucidate the relationship between the components, structures, as well as morphologies of coordination polymer nanomaterials and their adsorption performances. The research of this project will provide experimental and theoretical guidance for the controllable preparation of coordination polymer nanomaterials and the development of low-cost adsorbents for wastewater treatment with outstanding performance.

针对日益严峻的水污染问题，配位聚合物纳米材料具有多种多样的结构和形貌，较小的尺寸和大比表面积，有望成为新型高效的废水处理吸附剂。本项目拟通过简单的液相合成法，选择价廉易得的配体与金属盐反应制备一系列的配位聚合物纳米材料。研究反应体系pH值、反应时间和温度、表面活性剂或配位调节剂的使用，反应物的浓度等因素，对配位聚合物纳米材料结构和形貌的影响，揭示其生长机理。系统考察所得的配位聚合物纳米材料作为吸附剂移除水中重金属离子或染料的能力，深入研究吸附温度、时间、pH值，重金属离子或染料的起始浓度对其吸附性能的影响，应用吸附动力学、等温线和热力学模型对实验数据进行拟合和分析，初步阐明配位聚合物微纳米材料的组分、结构和形貌与其吸附性能间的相关性规律，为可控制备配位聚合物纳米材料和开发具有优异性能的低成本废水处理吸附剂提供实验依据和理论指导。

配位聚合物纳米材料(CPNs)具有丰富的组成、结构和形貌，在水中污染物的去除领域表现出了很好的性能和潜在的应用价值。此外，CPNs还可以作为前驱体合成多孔碳和碳复合材料。本项目采用几种简单易得的配体，在溶剂热或直接沉淀的条件下，与金属盐反应得到了一系列的CPNs，如MIL-68(In)微/纳米棒、Zn-BTC 微米棒、Zn-BPDC纳米棒等。进一步探索了这些CPNs及其衍生物在环境和能源领域的应用。例如，MIL-68(In)纳米棒对水溶液中刚果红染料具有较高的吸附容量和较快的吸附速率。MIL-68(In) 纳米棒对刚果红的最高吸附容量是1204 mg g–1，远远大于MIL-68(In) 微米棒和之前文献报道的大部分吸附剂的吸附容量。我们利用Ni/Zn-CPs作为前躯体，通过简单的煅烧法，成功制备了多孔碳和碳纳米管包覆镍纳米颗粒的复合物(Ni/PCC)。Ni/PCC对孔雀石绿、刚果红、罗丹明B、亚甲基蓝和甲基橙的吸附容量分别是898，818， 395，312 和 271 mg/g。同时，Ni/PCC能够通过乙醇洗涤后再生和易于磁性移除。我们采用[Ni3(BTC)2·12H2O]做前驱体，在氮气气氛下制备得到磁性镍/碳亚微米棒。将Ni/C催化剂应用于催化还原对硝基苯酚中，单位质量催化剂的反应速率为17.41 s-1 g-1，高于许多镍纳米颗粒催化剂，担载型镍催化剂和担载型贵金属催化剂。我们通过煅烧一种铟基配位聚合物纳米棒，制备了一种新型的介孔In2O3/C复合物。恒电流充放电测试指出，In2O3/C复合物电极在电流密度为100 mA g-1下循环150次后的可逆容量仍保持在720 mAh g-1。通过碳化一种常温液相法获得的锌基配位聚合物纳米棒，制备了一种独特的微/介孔碳纳米棒（MPCN）。MPCN-S正极在0.5C的电流速率下约有1000 mAh/g的放电容量，并且在200次循环后仍能达到740 mAh/g的放电容量，库仑效率高达95％。通过本项目的研究为配合物纳米材料及其衍生物材料在环境和能源领域的应用提供理论和数据基础。