多孔金属咪唑酯框架的绿色合成与可规模化生产

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金属有机框架(Metal-Organic Frameworks, MOFs)或多孔配位聚合物(Porous Coordination Polymers, PCPs)是由金属离子或簇合物和有机配体链接而成的多孔网络晶体。其中,以四面体过渡金属中心和咪唑类配体链接而成的具有沸石型拓扑网络的沸石型咪唑酯框架(Zeolitic Imidazolate Frameworks,ZIFs)材料因其结构稳定、合成简便和性能优越而备受关注,在工业应用上有广阔的应用前景。因此,发展其环境友好、生产效率高、可规模化的连续自动化生产工艺具有重要的科学意义和产业价值。
  本论文基于固相无溶剂合成和机械化学方法的原理,提出采用双辊开炼机等现成工业设备,对具备方钠石结构2-甲基咪唑锌的宏量制备和连续工业化生产展开研究。通过优化其化学计量比、反应温度和反应时间优化其生产工艺;采用扫描电子显微镜、粉末X射线衍射和气体吸附等温线等表征方法对合成产物的形貌、结晶度和晶向纯度、原料转化程度和多孔性进行评价;理解其固相反应过程和机理,探索其生产工艺的关键参数,为MOF材料的工业化发展提供新思路。
  研究表明:
  1.咪唑类配体和锌氧化物通过双辊开炼机进行热加工混炼可直接生成多孔的2-甲基咪唑锌和2-乙基咪唑锌,孔径均在20?以内,属于微孔。
  2.不同类型配体的适宜加工温度不一,2-甲基咪唑的最佳加工温度为120℃,2-乙基咪唑的最佳加工温度为50℃。
  3.不同类型配体的氮气吸附量随着加工时间的延长出现不同变化,2-甲基咪唑的在120℃时加工时间在40-60分钟达到最大的氮气吸附量,超过60分钟则氮气吸附量下降。2-乙基咪唑在50℃时加工时间在20分钟时达到最大氮气吸附量,超过20分钟氮气吸附量下降,甚至重结晶成无孔结构。
  该研究探讨了采用热加工混炼的方法实现多孔金属咪唑酯的绿色合成和规模化制备,拓展了其在不同咪唑类配体和不同拓扑的应用。虽然仍有部分工艺问题尚待进一步优化,但是其获得的多孔性和简易操作,将为该类材料的工业生产提供新的途径。
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