MOFs衍生碳材料的制备、表征及性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

金属有机框架(MOFs)是由无机金属中心(金属离子或金属簇)与桥连的有机配体通过自组装相互连接, 形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料, 其孔径通过增加刚性有机桥接分子的长度可以很容易地由几个埃米调整到几纳米(高达9.8 nm), 并具备难以置信的巨大比表面积(1000~10000 cm2/g), 远远超过了沸石、介孔碳等传统多孔材料. 正因为MOFs材料组成、结构和孔径的灵活可控的独特特点带来了其形貌设计的多样性和可操作性, 因此MOFs材料在用作制备各种形貌纳米多孔材料的理想前体方面具有极大的吸引力. 通过在惰性气氛下热解的方法, MOFs可方便地转换为基于碳的纳米多孔材料，在控制热解温度和后处理基础上, MOFs前驱体的孔结构特性可以很大程度被转移到多孔碳材料上, 从而提供了定制的表面性能和微观结构. MOFs经热解碳化直接获得的金属、氮共掺杂的多孔碳材料, 金属-氮-碳(M-N-C)活性位点均匀分布于其框架中, 在催化中往往表现出优异的性能.因此，本课题将针对MOFs衍生的碳催化材料进行研究，设计合成多孔碳催化剂，并对其结构、组成、性能进行表征研究。

2. 课题关键问题和重难点

目前，mof 衍生制备多孔碳仍面临着许多问题，高温热解过程中金属会发生团聚和骨架的塌陷 等现象，降低了多孔碳的比表面积和孔容，影响反应过程中的扩散和传质。

为此国内外研究人员进行了大量的实验；同时实现多孔碳材料的结构与形貌组成可控可调，降低制备成本也是它的研究重点；如采用廉价的生物质材料碳化获得介孔碳, 显著 降低了成本, 但是此类多孔碳孔道有序度较低, 孔径 分布不均匀, 限制了应用范围；通过使用不同的金属和有机物配位制备出了多种多样的多孔碳材料，应用在催化领域表现出了较好的前景，但是仍存在各种问题。

目前, 制备单原 子多孔碳材料的研究大多仅限于zn-mofs, 如zif-8, zn, co-zif, 在双单原子的应用中, co原子的组分难 以变化, 这些都大大限制了材料结构和金属原子种 类设计的灵活性, 开发新的形式与种类的mofs前驱 体制备单原子材料仍然是未来的挑战.对于双金属 mof 和复合 mof 材料由于制备比较困难，制备多孔碳材料的相关研究较少，距离实际应用差距较大。

3. 国内外研究现状（文献综述）

金属有机框架mof是一类通过金属离子或金属离子簇和有机配体相互连接构成的微孔结晶材料。

它们固有的高比表面积和均匀可调的孔道使它们在各种应用中显示出了巨大的潜力。

由于金属阳离子的多用途配位化学和不同的有机配体的可用性，mof的结构复杂性及其可调节性使mof成为一个吸引大批专家学者的具有很大前景的领域。

4. 研究方案

设计方案：以六水合硝酸钴、氯化锰、2,,5-二羟基对苯二甲酸为原料，dmf、乙醇、水为溶剂，甲醇为洗涤剂，先使用溶剂热法合成本实验所需的单金属mof-74，再使用金属离子交换法进行后修饰合成所需的双金属mof-74的催化剂合成实验。

研制方案：结合实验室情况，对单金属mof-74的合成可采用溶剂热法，此方法安全方便，简单易操作，反应物在液相状态下易于分散，因此提高了反应物活性、降低了反应温度，而且此方法可以得到粒径较小的反应产物。

对于双金属mof-74的合成，本次实验采用中心金属离子交换法对已合成的单金属mof-74进行后修饰，此方法是将单金属mof-74作为母体模板，通过控制反应底物浓度以及反应时间的方式从而控制取代程度，这样可以根据自身要求来达到部分取代或者全部取代的结果。

5. 工作计划

第一周：熟悉工作环境，了解金属有机框架材料与碳催化剂的关系第二周：开始进行实验，合成mof前驱体，并进行热解，得到碳催化剂。

第三周：合成mof前驱体，并进行热解，得到碳催化剂。

第四周：合成mof前驱体，并进行热解，得到碳催化剂。