超级电容器用MOFs衍生纳米电极材料分析

超级电容器以其高能量密度和高功率密度的特性,在电子器件、能源存储与转换等领域扮演着日益重要的角色。随着科学技术的飞速进步,研究者们正在积极寻找更高效的电极材料以进一步提升超级电容器的性能。金属-有机框架(MOFs)作为一种多孔结构材料,凭借其高比表面积、可控孔径和多样化的功能性,在气体吸附、分离和催化等领域已得到广泛应用。基于这些优势,本文深入探讨了MOFs衍生纳米电极材料在超级电容器中的应用,旨在为该领域的研究提供有价值的参考。通过这些研究,我们期待MOFs衍生材料能够推动超级电容器性能的飞跃,满足未来能源存储设备的严苛要求。

双金属MOFs碳化材料的结构对锂硫电池正极性能的影响

利用硝酸钴和铁氰化钾在水溶液中沉淀反应以及ZIF-8在水溶液中的部分分解,分别制备了2种组成相近但结构不同的双金属有机框架前驱体Co-Fe precursor和ZCF precursor。经过多巴胺包覆,对2种产品在氩气气氛下退火获得碳化产物。将碳化产物与纳米硫粉混合得到的碳/硫复合材料(E-CoFeCN@C/S、E-ZCF@C/S)分别作为正极,组装扣式锂硫电池并测试电化学性能。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、热重分析仪进行形貌和结构分析。在组成相似的情况下,核壳结构碳载体(E-CoFeCN@C)与发散式结构碳载体(E-ZCF@C)对锂硫电池性能的影响呈现出“此消彼长”的特点:E-ZCF@C/S在循环伏安测试中表现出更小的极化以及更强的电流响应,在电化学阻抗测试中表现出更低的电荷转移阻抗,表明该材料有利于促进正极电荷传递过程,即加快电极反应动力学。E-ZCF@C/S在0.2C倍率下放电初始比容量为1211.3mAh/g,在2C倍率下放电初始比容量为794mAh/g,均优于E-CoFeCN@C/S。而核壳结构的优势主要体现在容量衰减方面,E-CoFeCN@C/S在0.2C倍率下经过100次循环后平均衰减率为0.074%(E-ZCF@C/S为0.26%),在2C倍率下循环300次后平均衰减率为0.047%(E-ZCF@C/S为0.13%),说明核壳结构对活性物质的锚固作用明显而对电荷转移不利。

印染废水处理用MOFs基光催化分离膜的制备及改性

MOFs基光催化分离膜综合了膜分离和光催化技术的优点,能够高效处理染料废水,降低膜污染,在印染废水处理领域中具有独特优势。介绍了MOFs光催化材料的类型和特点,概述了MOFs基光催化分离膜的制备方法,包括相转化法、界面聚合法、真空过滤法、静电纺丝法和原位生长法等,重点分析了光催化分离膜的改性方法,包括配体修饰、贵金属沉积、助催化剂修饰、固定聚氧金属酸盐和构筑异质结等。指出了MOsF基光催化分离膜目前实际应用中面临的主要问题和未来的研究方向。

缺陷型巯基功能化MOF的制备及其重金属离子吸附性能

水中的重金属离子对人体伤害巨大,特别是Pb(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)离子,因此需要去除Pb(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)离子。通过调节合成过程中浓盐酸的用量,合成了具有不同缺陷程度的巯基功能化锆基金属有机框架(zirconium-based metal-organic frameworks, Zr-MOF)材料,简称UiO-66-(SH)_2,并将其用于液相中Pb(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)离子的吸附去除。通过UiO-66-(SH)_2对Pb(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)离子的吸附实验,发现随着制备过程中盐酸用量的增大,MOF的缺陷程度升高,其对Pb(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)离子的吸附能力也有所增强。缺陷型UiO-66-(SH)_2对较低质量浓度的Pb(Ⅱ)(50 mg/L)和Hg(Ⅱ)(70 mg/L)离子的最大吸附量分别可达45和259 mg/g,且对这2种重金属离子具有较好的吸附选择性。经过3次循环吸附后,缺陷型UiO-66-(SH)_2对Pb(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)离子的吸附能力没有明显下降,表明该材料在水中重金属离子去除应用上具有一定的潜力。

Fe_(3)O_(4)@CuMOF催化文冠果油制备生物柴油的研究

金属有机框架(MOFs)材料的高表面积、结构稳定性和可调功能使其成为制备生物柴油的理想催化剂。本文通过溶剂热法制备磁性Fe_(3)O_(4)@Cu MOF催化剂,利用傅里叶红外变换光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)、N2吸脱附(BET)、热重分析(TG)等手段对催化剂的微观结构和热稳定性进行表征,并应用于文冠果油制备生物柴油的反应中。结果表明:Fe_(3)O_(4)@Cu MOF催化剂表面粗糙多孔,比表面积为206.239 m^(2)/g,平均孔径为6.64 nm,属于介孔材料。Fe_(3)O_(4)@Cu MOF的饱和磁化强度为12.6 emu/g,易分离回收。当催化剂用量为3 wt%、醇油摩尔比为20∶1、反应温度为60℃、反应时间为2 h时,生物柴油产率最高,为75.0%。Fe_(3)O_(4)@Cu MOF循环使用5次后,其催化生物柴油的产率仍能达到69.25%。

吸附-光催化一体的金属有机框架/氟化二氧化钛(MOFs/F-TiO_(2))纳米复合材料的构建

以硫酸钛为钛源,氟化氢为氟源,氨水为沉淀剂,采用简单沉淀法制备了氟化二氧化钛(F-TiO_(2)).采用水热法合成了MIL-100(Fe)的金属有机骨架(MOFs),并通过水热法将MIL-100(Fe)与F-TiO_(2)复合,成功制备了兼具吸附和光催化功能的MIL-100(Fe)/F-TiO_(2)纳米复合材料(MOFs/F-TiO_(2)),以罗丹明B为模拟有机污染物,研究了样品的吸附动力学、吸附和光催化性能、循环稳定性能以及复合改性机理.采用SEM、XRD、FT-IR、XPS、UV-vis-Abs、EPR等对样品进行了表征.结果表明,10%MIL-100(Fe)/F-TiO_(2)表现出最好的吸附和光催化活性,黑暗条件下处理60 min,对50 mg·L^(−1)罗丹明B的吸附率达到60.6%,光照20 min,对其的脱色率达到96.4%.MIL-100(Fe)/F-TiO_(2)复合材料对罗丹明B的吸附过程遵循伪一级动力学模型,复合材料出色的光催化性能归功于F-TiO_(2)和MIL-100(Fe)的协同作用及Z型异质结的形成.

MOF-808@ANFs气凝胶的制备及其对CEES的催化降解

为实现对芥子气模拟物去污,开发柔性防护织物。利用磷酸处理对芳纶纳米纤维(ANFs)表面改性,利用水热法实现MOF-808在ANFs表面的原位生长,利用冰模板技术制备MOF-808@ANF气凝胶材料,研究MOF-808的负载量对其结构和对芥子气模拟物2-氯乙基乙基硫醚(CEES)降解性能的影响。结果表明:MOF-808负载量可达125.56%,比表面可达408.267 m^(2)/g,MOF-808@ANF气凝胶对CEES具有良好的降解效果,24 h内降解率可达到90.97%,半衰期为30.11 min;同时具有良好的结构稳定性和隔热性能。

Co-MOFs衍生的钴基化合物催化氧化典型VOCs研究进展

基于催化氧化技术在挥发性有机化合物(VOCs)末端治理方面有极高的效率,以及近年来金属有机骨架(MOFs)衍生的钴基化合物在催化氧化VOCs中的优异表现,文章总结了4种典型的钴基MOFs(ZIF-67,ZSA-1,Co-MOF-71和Co-MOF-74)及其衍生的钴基催化剂的组成与制备方法,并综述了其衍生物催化氧化几种典型VOCs(甲苯、邻二甲苯、甲醛和丙酮)的研究进展。最后归纳了反应过程中空速和湿度等因素对钴基化合物催化氧化VOCs的影响,探讨了MOFs衍生的钴基催化剂的反应机理,并对MOFs衍生的钴基催化剂在VOCs氧化中的研究进行了展望。

NH_(2)-MOF-199@粘胶复合非织造材料的制备及有机染料吸附性能

采用原位溶剂热法在粘胶水刺非织造材料(VSN)表面合成了金属有机框架材料NH_(2)-MOF-199,制备了NH_(2)-MOF-199@粘胶水刺复合非织造材料(NH_(2)-MOF-199@VSN);然后,将NH_(2)-MOF-199@VSN经200℃高温煅烧,得到炭化后的NH_(2)-MOF-199@VSNC。结果表明,呈八面体结构的NH_(2)-MOF-199晶体粒子被均匀、致密地固定在VSN表面。高温炭化后,NH_(2)-MOF-199粒子的表面出现小孔和裂纹。与VSN和NH_(2)-MOF-199@VSN相比,NH_(2)-MOF-199@VSNC对亚甲基蓝(MB)的吸附效果最佳。当吸附溶液的温度为30℃,pH=7时,NH_(2)-MOF-199@VSNC对MB的吸附效率最高,为98.42%,经5次重复吸附使用后,NH_(2)-MOF-199@VSNC对MB的吸附效率仍有65.76%。NH_(2)-MOF-199@VSNC对MB的吸附是吸热、熵增且自发的过程,与准一级吸附动力学模型相比,其对MB的吸附过程更适合用准二级吸附动力学模型描述,吸附机理以化学吸附为主,伴随着物理吸附。

金属有机骨架(MOFs)基复合质子交换膜的研究进展

近年来,金属有机骨架(MOFs)材料由于具有超大的比表面积和丰富的孔道结构,作为一种新型的质子导体在质子交换膜中的应用受到越来越多的关注。随着研究的不断深入,为进一步提升MOFs复合质子交换膜的各项性能,MOFs材料在质子交换膜中的物理形态逐渐由颗粒状向连续相发展,MOFs材料的组分也呈现出由单一组分到双组分的发展态势。本文以质子交换膜中MOFs材料的物理形态为主线,将其划分为MOFs晶体/聚合物质子交换膜、第三相增强MOFs/聚合物复合质子交换膜和MOFs纳米纤维/聚合物复合质子交换膜,全面综述了MOFs材料在质子交换膜中的研究进展,并对MOFs复合质子交换膜的发展方向进行了展望。

Co/MOF-808(Zr)复合材料的制备及其对有机磷化合物的降解性能

为了解决普通单金属MOFs材料几乎不能直接将双(4-硝基苯)磷酸酯(BNPP)直接降解为毒性更低的对氨基苯酚(4-AP)的问题,通过油浴法制备出MOF-808(Zr)后,采用后修饰法将草酸钴负载于MOF-808(Zr)上,制备出Co/MOF-808(Zr)复合材料,并对所制材料进行XRD和TEM表征。结果表明:MOF-808(Zr)具有高晶体结构稳定性,Co/MOF-808(Zr)的粒径在250 nm左右且分布均匀;Co/MOF-808(Zr)通过级联反应成功将有机磷神经毒剂模拟物BNPP直接降解为毒性更低的4-AP,而非一般的毒性较高的降解产物对硝基苯酚(4-NP)。其最佳级联降解反应条件为:温度45℃,Co/MOF-808(Zr)剂量为2 mg/mL,底物BNPP为0.6 mmol/L,硼氢化钠0.06 mmol/L。实践得出,Co/MOF-808(Zr)在将有机磷化合物直接降解为毒性更低的4-AP方面表现出良好的应用潜力。

三维Al-TCPP MOF纳米片对16种三唑类杀菌剂的吸附去除研究

农业生产中大量使用的三唑类杀菌剂最终通过环境介质传递进入水体,给生态系统和人类健康造成威胁。因此,本研究以六水合氯化铝和四(4-羧基苯基)卟啉(tetra(4-carboxyphenyl)porphyrin,TCPP)为功能单体制备三维Al-TCPP金属有机框架(metal organic framework,MOF)纳米片,并以Al-TCPP纳米片为吸附剂,构建了水体中16种三唑类杀菌剂的高效吸附去除方法。探究了Al-TCPP纳米片用量、吸附时间和pH值等对其吸附三唑类杀菌剂吸附能力的影响,并获得最佳吸附去除条件;选取3种典型杀菌剂,研究了Al-TCPP纳米片对目标物的吸附动力学、吸附等温线和吸附热力学等吸附行为机制。结果表明:Al-TCPP纳米片对三唑类杀菌剂的吸附过程符合准二级动力学模型,为单分子层化学吸附,且吸附过程是自发的放热反应,低温有利于该反应进行。采用本方法吸附不同环境水体中的三唑类杀菌剂,结果表明:Al-TCPP纳米片对不同环境水体中的16种三唑类杀菌剂的去除率均达到85%以上。综上所述,Al-TCPP纳米片对三唑类杀菌剂的吸附去除具有较好的实用性,可为环境水体中三唑类杀菌剂残留去除研究提供新的思路和方法。

MOFs@气凝胶吸附去除水中污染物的研究进展

MOFs@气凝胶相较于单一的MOFs具有超高的比表面积、较高的孔隙率、较好的聚合物相容性以及出色的结构孔隙等特性,可高效吸附去除水中污染物。介绍了MOFs@气凝胶的结构和理化性质以及MOFs@气凝胶的常用合成策略,并重点分析了合成策略的优缺点以及所面临的挑战;详述了MOFs@气凝胶对污水中重金属离子和有机化合物的吸附条件和吸附性能,对相关吸附机理做了系统总结和对比;阐述了MOFs@气凝胶在吸附水中污染物方面的可重复利用性。最后针对MOFs@气凝胶中MOFs的稳定性、气凝胶的基质材料、应用范围以及干燥技术等问题提出优化方向,指出提高MOFs@气凝胶的稳定性、探索新型基质材料、扩大MOFs@气凝胶的应用范围、探寻经济绿色的合成技术将是未来的研究方向。

Co-MOF衍生钴基催化剂制备及其NaBH_(4)水解制氢性能

采用钴基MOF为前驱体,通过惰性气氛碳化法制备了系列衍生钴基催化剂,探讨了不同催化剂在NaBH_(4)水解制氢中的催化性能.采用X射线衍射仪(XRD),透射电子显微镜(TEM),X射线光电子能谱分析(XPS),热重分析(TGA)等深度分析了不同碳化条件对Co-MOF衍生钴基催化剂的晶相结构、微观形貌、元素价态等的影响.研究结果表明:在不同碳化温度下,Co-MOF衍生钴基催化剂展示了不同的微观形貌、晶相结构和元素价态,随着惰性碳化温度升高节点钴逐步从离子钴向单质钴转化.NaBH4水解制氢实验表明不同碳化温度可以显著影响催化剂的水解制氢催化活性和稳定性,其中以钴离子转化的Co-MOF(300)催化剂展示了最佳催化活性,明显高于高温碳化的钴基催化剂.

MOFs衍生的黄铁矿型纳米电催化剂析氧性能研究

廉价、高效且耐用的非贵金属电催化剂的可控制备,对于推动电解水这项能源转换技术的大规模应用至关重要。以水热法制备的MIL-101(Fe)为前驱体,热解得到金属有机框架(MOFs)衍生铁碳化合物,经原位硫化还原,成功制备了纳米黄铁矿型催化剂(MIL-101(Fe)-D-FeS_(2))。采用X射线衍射仪(XRD)、冷场发射式扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)对样品进行了物相表征,发现FeS_(2)纳米球均匀衍生在前驱物形成的八面体碳框架上;通过循环伏安法和线性扫描伏安法研究了该材料在电化学反应过程中的可逆性和活性。结果表明:在10 mA/cm^(2)和100 mA/cm^(2)的电流密度下,MIL-101(Fe)-D-FeS_(2)的过电位分别为260 mV和307 mV,双层电容值为3.82 mF/cm^(2),塔菲尔斜率为48.4 mV/dec。该新型催化剂表现出优越的相关性能,优于传统商用电极RuO2和市售黄铁矿粉。此外MIL-101(Fe)-D-FeS_(2)在高电流密度下保持长期的稳定性。这种优异的活性得益于MOFs与FeS_(2)材料的结合,增加催化剂活性位点的暴露,提高整体催化剂的活性和导电性。研究结果为MIL-101(Fe)-D-FeS_(2)型电催化剂的开发和研究提供了新思路。

金属有机框架(MOFs)材料在防腐涂层中的应用研究进展

有机涂层在固化过程或长期使用中会出现裂纹、微孔等局部缺陷,导致有机涂层的预期防腐效果大大降低。近年来,金属有机框架(MOFs)涂层在构建高效耐用的金属防护材料方面展现出巨大的潜力。介绍了MOFs材料的结构特点和近年研究进展,从4个方面阐述了其在涂层中的防腐机理:通过MOFs的特殊结构改性纳米填料提高涂层抗渗透性、MOFs缓蚀剂阻止金属腐蚀、MOFs自修复材料弥补涂层缺陷、通过MOFs结构特性构建超疏水涂层。以上基于MOFs的复合防腐涂层已表现出巨大的研究潜力和商业价值,但MOFs涂层材料的大规模商业化应用,仍需在环保、低成本、产品稳定等多个方面做出努力。

三维纳米花NiCo-MOF非对称超级电容器储能特性

针对储能器件对高比容量、长寿命、高安全性、绿色环保电极材料的应用需求,利用一步溶剂热法制备三维纳米花镍钴双金属有机框架(NiCo-MOF)电极材料,并与活性炭(AC)一起组装了工作电压窗口可达1.45 V的高性能非对称超级电容器。通过调控优化金属前驱体摩尔比和水热时间制备得到NiCo-MOF电极材料。该NiCo-MOF电极材料在电流密度为1.0 A·g^(-1)下,比容量高达1839.23 F·g^(-1),这主要归因于由薄纳米片组成的纳米花NiCo-MOF提供了较大的比表面积和较多的电化学活性位点,极大地促进了电解质的浸入和氧化还原反应的发生。以NiCo-MOF为正极、AC为负极制备的非对称超级电容器在1.0 A·g^(-1)下,其比容量达到105.27 F·g^(-1),经过1000次循环后,比容量保持率为89.85%。结果表明,三维纳米花NiCoMOF电极材料在超级电容器等储能领域具有较好的应用前景。

MOFs负载聚乙烯亚胺(PEI)对硫化氢的吸附

煤炭清洁高效利用是当下煤炭资源发展的主题,煤炭加工利用过程中会产生以硫化氢(H_(2)S)为主的硫化物,对生产和环境造成了不利影响。近年来,吸附脱硫因其高脱硫效率、高精度、操作简单等优点成为广泛使用的脱硫方法。金属−有机框架材料(MOFs)具有大的比表面积和孔隙率、易于修饰和功能化的优势,在气体吸附领域具有很大的潜力。聚乙烯亚胺(PEI)是同时含有伯、仲、叔胺的高分子聚合物,对H_(2)S有强亲和力并发生可逆的化学反应,将PEI引入MOFs中有望进一步提升H_(2)S吸附性能。为此,采用浸渍法制备了PEI负载的MIL-101(Cr)、UiO-66、MOF-801、ZIF-8吸附剂,研究了载体类型和PEI负载量对H_(2)S吸附性能的影响,考察了吸附剂的循环使用能力。结果表明,负载PEI后,所有载体的吸附容量均有所提高,ZIF-8提高的最多,归因于ZIF-8载体本身大的比表面积、孔体积、负载后晶体结构的保持以及PEI与ZIF-8之间的相互作用。而其余MOFs由于比表面积和孔体积较小或负载PEI后结构发生破坏,负载PEI之后的吸附容量不理想。PEI的负载量会影响ZIF-8的孔隙结构和骨架的稳定性;50%(质量分数)PEI负载后的ZIF-8穿透硫容最高,为56.3 mg/g,是载体本身的55倍。再生循环实验表明,负载PEI的ZIF-8只能实现极少部分再生,并且负载量低的吸附剂的吸附循环性能比负载量高的更好,PEI的引入使ZIF-8更易遭受H_(2)S的进攻生成ZnS。

铁镧双金属MOF去除水体中的磷酸盐和Cr(Ⅵ)

采用快速高效的电沉积法制备了磁性铁镧双金属MOF(Fe/La-MOF)材料,并用于去除水中的磷酸盐和Cr(VI).结果显示:Fe/La等物质的量比,单独去除磷酸盐或Cr(VI)时,Fe/La-MOF投加量1g/L(除P)或2.5g/L(除Cr(VI)),pH值2~7(除P)或pH值2~11(除Cr(VI)),反应120min,磷酸盐(初始100mg P/L)或Cr(VI)(初始20mg Cr/L)的去除率分别达到94%或95%以上. Langmuir等温线能很好拟合Fe/La-MOF对磷酸盐或Cr(Ⅵ)的吸附,且理论最大吸附量分别是350.4mg P/g和33.4mg Cr/g. Fe/La-MOF吸附磷酸盐或Cr(Ⅵ)的行为更符合拟二级动力学,表明该过程以化学吸附为主;XPS、XRD、FTIR等表征结果进一步揭示:主要的吸附机理是发生在磷酸盐或Cr(Ⅵ)阴离子与Fe/La-OH之间的配体交换.另外,磁性Fe/La-MOF易于分离且在多次循环使用中保持较好的稳定性. Fe/La-MOF可同时用于去除磷酸盐和Cr(VI),pH值近中性, Fe/La-MOF加入量2.5g/L,反应120min,磷酸盐(初始25mg P/L)和Cr(VI)(初始20mg Cr/L)的去除率分别达到100%和92.2%.总之, Fe/La-MOF是一种可以快速制备的、具有良好吸附和稳定性能、宽大的pH值适用范围的高效吸附剂.

金属有机骨架(MOFs)衍生材料及其在催化领域的研究进展

金属有机骨架(MOFs)材料是一类具有大比表面积和可调孔结构的新型多孔材料,近年来在催化制备精细化学品领域受到广泛关注。在实际催化过程中,MOFs较差的稳定性制约了其在许多反应中的应用。以MOFs为前驱体制备的MOFs衍生材料能够保留MOFs材料结构上的优势,同时解决其稳定性差的问题,极大拓展MOFs材料在催化反应中的应用。综述MOFs衍生材料在催化领域特别是在加氢和氧化制备精细化学品中的研究进展,并对MOF衍生材料面临的问题及其在催化领域的应用前景进行了展望。