Zn/Fe金属有机骨架材料及其复合/衍生物的制备与性质研究

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本论文以Zn/Fe-基金属有机骨架材料(Metal-Organic Framework,简称MOF)为平台材料,利用化学自组装方法制备了 ZIF-8@Zn2GeO4复合光催化剂和ZIF-8@Zn2GeO4:Mn2+荧光传感材料;利用化学热解法制备了 Fe-MOF衍生物材料如Zn2Fe2O4,ZnO/ZnFe2O4光催化材料和NixCo1-xFe2O4气敏传感材料。同时,本论文对上述MOF复合及衍生物材料的结构、组成与化学性质展开了详细的研究。(1)利用水热法制备Zn2GeO4纳米棒,将其加入到ZIF-8合成体系中,利用化学自组装方法成功制备出ZIF-8纳米颗粒修饰的ZIF-8@Zn2GeO4复合纳米光催化材料。该材料对六价态Cr(Ⅵ)离子具有高效光催化还原作用,可以将其还原成三价态Cr3+离子;以该材料制备方法为基础,通过对所制备的Zn2GeO4纳米棒进行过渡金属离子Mn2+掺杂,可以实现锗酸锌纳米晶优异的绿色发光性质,而后采用相同方法成功制备了 ZIF-8@Zn2GeO4:Mn2+复合材料。该材料具备双发射荧光传感性能,其中ZIF-8纳米颗粒可以发蓝光,其荧光强度不随温度变化而变化;而Zn2GeO4:Mn2+发绿光,荧光强度随温度升高而猝灭,这一材料可以实现比率温度传感。同时,该材料对水溶液中Cu2+离子具有较好的荧光传感性质。(2)通过溶剂蒸发策略对Fe-MOF材料表面进行杂原子Zn2+离子修饰,而后利用MOF热解法成功制备立方笼状ZnFe2O4微纳米材料,该笼状ZnFe2O4微结构表现出优异的可见光驱动的光催化性能,可用于降解水溶液中亚甲基蓝染料分子。此外,所制备的ZnFe2O4结构具有磁性,可通过使用外加磁场的方法实现光催化剂的高效分离和回收;采用类似的两步合成策略成功地制备了一系列笼状分级结构Ni/Co掺杂NixCo1-xFe2O4(0.0 ≤x≤0.5)材料,在所研究的Ni/Co比值实验调变范围内,NixCo1-xFe2O4材料的物相结构不变,具有尖晶石结构。该材料对丙酮气体具有优异的选择性响应性能,且具有优异的循环响应活性。因此,本部分研究工作表明采用溶剂蒸发法和MOF热解法相结合的策略可以精确地制备具有特殊形貌,结构和化学组成的杂原子金属氧化物,并获得预期的优异光催化性能或气敏性质。(3)采用Zn(Fe)-MOF作为单一前驱体,通过简单,简便的热解法制备了ZnO/ZnFe2O4异质结构花状微球,并对其结构和形貌演变机制进行了详细研究。该Zno/ZnFe2o4花状微球在300 W Xe灯照射下表现出优异的光催化性能,对水溶液中罗丹明B(简称RhB)和亚甲基蓝(简称MB)染料污染物分子具有较好的降解效果。同时,利用外加磁场可以将ZnO/ZnFe2O4光催化剂有效地从反应水体系中分离出来,且该光催化材料具有优异的循环利用性质。因此,该材料在水溶液中有机污染物分子的有效光降解方面具有重要应用价值。本研究工作进一步表明MOF热解策略可以有效制备具有新颖结构的多功能半导体光催化剂。
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