本文選題：金屬有機框架材料　切入點：高壓性質(zhì)　出處：《新疆大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：金屬 有機骨架(Metal organic framework,MOF)材料可以分為兩類,一類是有孔(porous MOFs)材料,一類是密堆積(dense MOFs)材料,這種分類是依據(jù)結(jié)構內(nèi)部本征孔道的有無來劃分的。與傳統(tǒng)的無機多孔材料(如沸石)相比,有孔MOF具有更大的孔隙率、更高的比表面積、可調(diào)節(jié)的孔徑尺寸以及可修飾的功能基團,因此在氣體存儲、氣體分離(特別是甲烷和二氧化碳的分離)、藥物傳遞、催化反應等方面具有非常廣闊的應用前景。密堆積MOF由于結(jié)構致密本征特點,其物理性質(zhì)和無機非金屬材料非常相似,因此具有優(yōu)異的壓電、鐵電、多鐵等物理性質(zhì),在能量捕獲與轉(zhuǎn)換、傳感以及信息存儲等范圍具備重要運用前景。在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中,材料需要經(jīng)過破碎、球磨、造粒等加工過程,經(jīng)常需要承受1GPa(1萬個大氣壓)左右的應力。因此在氣體存儲、分離、能量轉(zhuǎn)換、鐵電傳感等應用時,MOF材料都需要具有一定的機械強度,進而能承受相應環(huán)境下各種應力的影響(如軸向、剪切、靜水壓等應力)。因此,通過系統(tǒng)研究來選擇、優(yōu)化和控制MOF材料的力學性質(zhì)對其能否實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應用具有重要指導意義。由于MOF材料種類眾多、結(jié)構復雜,在實驗上對所有材料進行全面的表征和探索是不現(xiàn)實的。本論文針對一些具有代表性的MOF材料來對其進行深入和系統(tǒng)的探索其力學性質(zhì),具體內(nèi)容如下:一、制備了類沸石結(jié)構金屬鋅-3甲基-1,2,4-三唑骨架(Metal-3-methyl-1,2,4-triazolate framework)材料。通過使用粉末X 射線衍射、單晶X 射線衍射、高壓X 射線衍射、密度泛函理論計算等表征方式,對其高壓性質(zhì)進行系統(tǒng)分析,得到該框架材料的體積模量B為10.8(15)GPa,相應的軸向壓縮率β為18.0(3.7)×10-3GPa。實驗結(jié)果與第一性原理計算值基本相一致。測試結(jié)果表明,與相似結(jié)構的MOF材料2 甲基咪唑鋅(Zn(2 methylimidazolate)2,ZIF 8)比較,金屬鋅 1,2,4 三唑骨架具有不易壓縮性。二、通過密度泛函理論計算得到金屬鋅-3甲基 1,2,4 三唑骨架材料的彈性常數(shù),應用ELAM程序和張量分析得到楊氏模量、剪切模量、泊松比和體模量分別為2.828-4.659 GPa,0.97-1.64 GPa,0.23-0.64和10.29 GPa。為了說明理論的可靠性,通過納米壓痕實驗得到楊氏模量E100和E110分別為3.07(15)GPa和3.71(19)GPa,相應的硬度H分別為0.23(1)GPa和0.46(5)GPa。這一實驗結(jié)果與密度泛函計算結(jié)果相一致。與相似結(jié)構的MOF材料ZIF 8比較,金屬鋅 1,2,4 三唑骨架材料的楊氏模量和剪切模量都比ZIF 8的值大,表現(xiàn)出更強力學穩(wěn)定性。泊松比范圍比ZIF 8(0.33-0.57)較寬,這說明了該材料在軸向拉伸或者壓縮表現(xiàn)出更強的各向異性。三、制備了金屬 甲酸鋅骨架(Metal formate framework)材料Zn(HCOO)_2·2H_2O。通過使用粉末X 射線衍射、單晶X 射線衍射、納米壓痕實驗進行表征并分析其力學性質(zhì),實驗結(jié)果得到Zn(HCOO)_2·2H_2O的楊氏模量E00-2/E100/E110分別為35.5(6)/35.0(9)/27.1(5)GPa,相應的對應的硬度H分別為2.04(8)/1.83(8)/0.47(3)GPa。與具有甲酸基的金屬有機框架材料進行了對比分析,詳細討論了金屬 甲酸鋅骨架材料力學性質(zhì)的各向異性,闡述了這種差異的原因:較強的Zn-O和氫鍵的存在使得其結(jié)構在應力下較穩(wěn)定。四、通過變溫單晶X 射線衍射實驗分析了金屬 甲酸鋅骨架(Metal formate framework)材料Zn(HCOO)_2·2H_2O的晶體結(jié)構及其隨溫度的變化關系。我們總結(jié)了氫鍵與溫度和晶格常數(shù)(主軸)與溫度的變化關系,通過PASCal程序得到其熱膨脹系數(shù)分別為αa=5.3(1.5),αb=33(1)和αc=-26(2)MK-1。為了探究其負熱膨脹機理,我們應用了“鉸鏈”模型進行了詳細的分析。分析結(jié)果表明:甲酸基框架材料中MO6八面體和氫鍵的數(shù)目及其走向?qū)Σ牧系臒崤蛎浶再|(zhì)起到顯著的作用。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：新疆大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O627.23

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本文編號：1622701