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摘 要

ZIF-8作为ZIFs材料中的一大分支，其不仅拥有极大的比表面积，极高的孔隙率，规则的孔道和均匀的孔径，同时也具有沸石所具有的独特的化学和热稳定性，因而被广泛用于吸附、催化等领域。本论文以ZIF-8为模板，通过TEOS的水解，在ZIF-8颗粒表面包覆一层有机硅，经过高温碳化处理，得到ZIF-8@SiO2纳米核壳材料。本论文考察TEOS量、反应时间、碱量、温度对ZIF-8@SiO₂颗粒粒径的影响，进一步得到不同条件对TEOS水解情况的影响。

关键词：ZIF-8 TEOS 核壳 水解

Abstract

ZIF-8, as a large branch of ZIFs, has not only great surface area, high porosity, regular pore and uniform pore size, but also has unique chemical and thermal stability of zeolites and is widely For adsorption, catalysis and other fields. In this paper, ZIF-8@SiO₂ nanometer core-shell material was obtained by ZIF-8 as template and coated with a layer of silica on the surface of ZIF-8 particles by high temperature carbonization by TEOS hydrolysis. In this paper, the effects of different conditions on the hydrolysis of TEOS were investigated by investigating the effects of different TEOS, different reaction times, alkali and temperature on the particle size of ZIF-8 @ SiO₂.

Key words: ZIF-8 TEOS Core shell hydrolysis

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 结构 2

1.3 ZIF-8的制备方法 3

1.3.1 溶剂热合成法 3

1.3.2 水热合成法 4

1.3.3 离子热合成法 4

1.3.4 机械化学合成法 4

1.3.5 溶胶凝胶法 5

1.3.6 超声波法和微波法 5

1.3.7 微流体中界面合成法 5

1.4 应用 6

第二章 实验部分 7

2.1 实验原理 7

2.2 主要实验原料和设备 7

2.3 ZIF-8的制备 8

2.4 SiO₂的包裹 9

2.5 ZIF-8@SiO₂的碳化 9

2.6样品的表征 10

第三章 结果与讨论 11

3.1 ZIF-8的表征 11

3.2 ZIF-8@SiO₂的XRD表征 11

3.3 ZIF-8@SiO₂的SEM表征 11

3.3.1 反应时间的影响 12

3.3.2 TEOS量的影响 13

3.3.3 碱量的影响 14

3.3.4 温度的影响 15

结论与展望 16

参考文献 17

致谢 21

第一章 绪论

1.1 研究背景

近些年来，人类在日常生活中过多燃烧化石燃料，产生和排放了大量CO₂进入大气。同时，人类向大自然还排放了大量的其他温室气体，像氟氯烃，甲烷和氮氧化物气体。这些气体的排放导致了全球气候变暖，温度上升进而使得两级冰川融化，海平面上升，许多岛屿和沿海城市面临被淹没的危险，同时也带来了一系列的综合环境问题。因此，我们现在急需发明一些新材料，来捕获和储存被排放的气体，保护我们的生存环境。

最近，人们发现了一类新材料，能够很好地解决上述问题。这一类材料因此金属离子为毗连点，有机配体通过自组装络合而形成的一种配位聚合物。它们具有三维的孔隙结构，在储能，分离，催化等方面得到广泛的应用。我们把这一类物质统一称为金属——有机骨架材料。

金属有机骨架质料(metal-organic frameworks， MOFs)是由金属离子与有机配体经由自组装进程而天生的一类新型多孔质料，具备诸如比表面积大，孔道布局规整，孔道和表面化学性质可调变等特点，尤其在分离、 吸附和催化等方面展现出了很是广阔的利用远景。

MOFs材料涉及的范围很广，为了选用合适的MOFs材料，我们考察了各类MOFs材料。其中，沸石咪唑酯骨架结构作为其中重要的一大分支，不仅拥有MOFs材料的优点，同时也拥有沸石独有的化学和热稳定性的特点^[2]。这些性质使其在气体分离与储存^[3]、催化^[4,5] 等范畴都有着庞大的价值和普遍的利用，它被称为多孔质料的将来之星。沸石咪唑酯骨架质料（Zeolites Imidazolate Frameworks,简称ZIFs）是一类由金属离子（Zn² 、Co² 、Cu² ）和咪唑基配体经由过程自组装络合而成的多孔聚合物质料。

在2006年，美国密歇根大学Yaghi教授首先开始了ZIFs的研究，他们课题组在探究CO₂吸附的材料时成功合成出了一系列的ZIFs结构，并以ZIF-n（ｎ为正整数）的形式将其命名^[4,6-8]。其中，我们此次主要研究的是ZIFs材料中ZIF-8的制备与表征。

高孔隙率、形状选择性和多个活性位点的独特特征使金属-有机骨架（MOF）有望成为高效液相色谱（HPLC）的新型固定相。然而，常规MOF的宽粒径分布和不规则形状导致这种MOF填充柱的柱效率降低。而一种单分散的MOF @ SiO₂核壳微球作为HPLC的固定相制备，克服了上述问题。由于其永久性孔隙率、均匀的孔径和特殊的化学稳定性，使其具有巨大的优势。使用沸石咪唑酸酯骨架8（ZIF-8）作为MOF的实例，使用二氧化硅球作为支持物生长ZIF-8壳，制造的单分散ZIF-8@SiO₂填充柱显示出高分离效率。ZIF-8@SiO₂微球体结合了均匀单分散二氧化硅微球的良好柱填充性能和ZIF-8晶体分离能力的优点。

1.2 结构

ZIFs与传统的沸石分子筛结构十分相似，它是用Zn/Co等二价金属离子取代传统沸石分子筛中的硅元素和铝元素，咪唑酯取代其中的氧桥，通过咪唑环上的N原子相连接而形成的一种类沸石材料^[9-10]。类似于SiO₂,如果我们用M表示金属离子，Im表示咪唑酯，那么ZIFs材料就可以用M（Im）₂表示。咪唑类配体是拥有共轭五元环的布局，其1，3位上的N原子可以与金属离子配位，构成的M-Im-M的键角为145°，靠近无机沸石布局中Si-0-Si键角（144°），以是，ZIFs质料具备类沸石的拓扑布局。因为M-Im-M的键长要比无机沸石布局中的Si-0-Si键长要长，是以ZIFs骨架的孔笼要比无机沸石要大，具备较大的表面积和孔体积。

ZIF-8是ZIFs一系列材料中应用比较广泛的一种，它一般是由锌源（ZnNO₃·6H₂O）和配体2-甲基咪唑反应得到。它具有方钠石（sod）型拓扑构型，见图1。由ZIF-8于其合成方式的多样性，ZIF-8的比表面积和孔径也各不相同，但它们都是具备典型的小孔径大孔笼特点。

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