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蒸气辅助合成PCN-6(M)双金属有机框架材料及其CH 4和CO 2吸附性能
元宁, 马洁, 张晋玲, 张建胜
应用化学    2023, 40 (6): 896-903.   DOI:10.19894/j.issn.1000-0518.220341
摘要   (200 HTML2 PDF (3057KB)(254)  

以PCN-6(Cu3TATB2)为母体材料,Co、Fe、Mn、Zn和Ni为第2种金属,将蒸气辅助法应用于双金属有机框架材料(MOFs)的合成中,并成功制备出PCN-6(M)(M=Co/Fe/Mn/Zn/Ni)系列双金属材料,采用粉末X射线衍射仪(PXRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-OES)和气体吸附等技术手段对合成的材料进行了结构、形貌、组成和性能的表征,结果表明制备的PCN-6(M)系列双金属材料的PXRD衍射峰和形貌与母体材料PCN-6一致,交换的金属在材料中分布均匀,交换量(质量分数)分别为Co:12.1%,Fe:22.0%,Mn:16.1%,Zn:17.5%,Ni:16.8%,远高于相同条件下溶剂热法的金属交换量(5%左右),在气体吸附性能方面,PCN-6(Zn)、PCN-6(Ni)和PCN-6(Co)这3种双金属材料对CH4和CO2的吸附能力优于母体材料,理想吸附溶液理论(IAST)计算表明,PCN-6(Fe)对CO2/CH4的吸附选择性优于母体材料。通过蒸气辅助法制备双金属MOFs材料,可以提高金属的交换量并改变MOFs材料对不同气体分子的亲合力,进而提高材料对气体的吸附性能和选择性。蒸气辅助法为双金属MOFs材料的制备提供了新的思路,且有望用应于其它材料的制备中。

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图3 PCN-6和PCN-6(M)的PXRD图谱
正文中引用本图/表的段落
PCN-6和PCN-6(M)的粉末X射线衍射峰(PXRD)如图3所示。双金属材料PCN-6(M)与其母体材料PCN-6有相同的衍射峰,表明PCN-6(M)与PCN-6有相同的晶型结构,金属交换过程中没有其它晶相生成。虽然PCN-6(M)具有较高的结晶度,但与PCN-6相比衍射峰略低,可能是金属交换过程中晶体破裂和形成缺陷造成的[25]。
在PCN-6中引入Zn、Ni和Co这3种金属后,材料框架中的Cu2+不饱和金属中心被Zn2+、Ni2+或Co2+部分取代,一方面Zn2+、Ni2+或Co2+形成的不饱和金属位点对CH 4和CO 2的亲合力更大[32],另一方面Cu2+被部分取代时会产生双金属位[33],提高对CH 4和CO 2的吸附强度。另外结合材料的PXRD衍射峰强度(图3)、BET表面积以及孔结构参数(表2)来看,PCN-6(Zn)的平均孔径最接近母体材料PCN-6,其次是PCN-6(Co),说明在金属交换过程中,PCN-6(Zn)产生的缺陷较少,因此其CH 4和CO 2的吸附性能最优。总的来说,双金属PCN-6(M)的CH 4和CO 2吸附性能提升是由金属位点对气体分子的亲合力、金属交换过程中材料产生的缺陷情况以及比表面积共同决定的。
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