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《武汉工程大学》 2016年
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基于双苯并咪唑的有机无机杂化材料的制备和性能

胡爱彬  
【摘要】:本文以合成具有较好吸附性能的有机无机杂化材料为目的,以2,6-二苯并咪唑吡啶(L)及方酸为有机原料,考察了在无金属离子及Zn(Ⅱ)或Ni(Ⅱ)的高氯酸盐作用下形成有机无机杂化凝胶材料的条件。通过对形成凝胶的分子间相互作用的研究,并对凝胶材料中部分成分对染料的吸附因素进行的验证性实验,揭示分子结构与吸附性能的关系,为获得针对特定材料的高效吸附剂奠定基础。主要研究内容如下:1)以2,6-二苯并咪唑吡啶和方酸为有机配体,高氯酸盐为模板,在溶剂DMF(N,N-二甲基甲酰胺)中,合成了有机无机杂化凝胶。对凝胶材料分别进行了红外光谱、光学显微镜、电镜扫描和透射电镜的表征,测试了化学刺激响应、流变性能和对染料吸附性能。研究结果表明,在溶剂DMF中L与Zn(Ⅱ)可以形成凝胶,而且在加入方酸后,该凝胶的机械强度和凝胶的刚度显著增加。样品在光学显微镜下呈现的都是针状,而在扫描电镜和透射电镜下可看到具有不同的形态。与网络形状的纤维和团簇相比,具有链状的网络结构和纤维状形态的凝胶样品有更好的机械和染料吸附性能。凝胶材料对有机染料甲基橙的吸附实验表明:吸附量为12.15-15.38 mg.g-1。根据上述实验结果提出了配体、方酸和金属盐离子三者间可能的结构和凝胶形成的机理。2)为了说明凝胶材料的可能分子结构,通过将2,6-二苯并咪唑与1当量的方酸在乙醇中回流得到固体。在氘代的二甲基亚砜中得到了方酸与2,6-二苯并咪唑的超分子化合物,采用X-射线单晶衍射对其结构进行了表征。晶体结构分析表明:超分子是通过π-π堆积和分子之间氢键所形成的一维链状的聚合物。实验研究了温度和CCl_4的浓度的改变对聚合物中氢键的影响。此外,用密度泛函理论和分子中原子理论对其进行了理论分析,计算结果表明分子间的键能分别是135.65和49.40J·mol-1。3)在研究凝胶材料对染料的吸附性能的过程中,发现高氯酸盐对亚甲基蓝有很好的吸附性能。为了进一步弄清楚所合成的有机无机杂化材料(见内容1)中高氯酸盐的作用原理,对高氯酸盐吸附染料所得的样品进行了XPS,XRD和pH的测定,通过与其他金属盐的对比实验,探究了其对亚甲基的吸附的机理。用高氯酸盐对亚甲基蓝进行了动态吸附实验,研究了时间和吸附量对吸附率的影响,并将这一实验结果与静态吸附进行对比。实验结果表明,静态吸附主要是高氯酸根离子与亚甲基蓝的络合作用形成的蓝色固体沉降,而动态实验中的吸附则是因为络合作用、金属盐和酸度大小综合作用的结果。本工作为设计新型材料提供了理论基础,同时,也为以上凝胶材料的吸附机理提供很好的实验证明。
【关键词】:有机无机杂化凝胶 染料吸附 分子间氢键 密度泛函理论 分子中原子理论 染料吸附机理
【学位授予单位】:武汉工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TQ427.26;O647.3
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-12
  • 第1章 绪论12-26
  • 1.1 凝胶的概述12-19
  • 1.1.1 超分子有机凝胶12-13
  • 1.1.2 超分子金属凝胶13-14
  • 1.1.3 超分子凝胶的表征技术14-16
  • 1.1.4 超分子凝胶的应用16-19
  • 1.2 咪唑类超分子金属有机凝胶的研究进展19-23
  • 1.2.1 苯并咪唑类超分子金属有机凝胶研究20-21
  • 1.2.2 双苯并咪唑类超分子金属有机凝胶研究21-22
  • 1.2.3 其它咪唑类超分子金属有机凝胶研究22-23
  • 1.3 课题的提出与研究内容23-26
  • 第2章 基于 2,6-二苯并咪唑吡啶杂化材料的染料吸附性能研究26-40
  • 2.1 超分子1合成路线设计26-27
  • 2.2 实验部分27-28
  • 2.2.1 试剂与原料27
  • 2.2.2 仪器及方法27-28
  • 2.3 实验步骤和方法28-29
  • 2.3.1 2,6 - 二苯并咪唑基吡啶的合成28
  • 2.3.2 凝胶材料的形成28-29
  • 2.4 结果和讨论29-39
  • 2.4.1 2,6-二苯并咪唑基吡啶的核磁表征29
  • 2.4.2 2,6-苯并咪唑基吡啶的晶体结构表征29-30
  • 2.4.3 凝胶样品图30-31
  • 2.4.4 红外光谱表征31-32
  • 2.4.5 凝胶的化学刺激响应32-33
  • 2.4.6 光学技术表征33-34
  • 2.4.7 凝胶的机械响应分析34-35
  • 2.4.8 凝胶材料的染料吸附实验35-38
  • 2.4.9 凝胶材料自组装结构38-39
  • 2.5 本章小结39-40
  • 第3章 方酸与 2,6 -二苯并咪唑的超分子自组装及氢键理论研究40-52
  • 3.1 实验部分40-41
  • 3.1.1 试剂与原料40
  • 3.1.2 仪器及方法40-41
  • 3.1.3 超分子化合物(1)的合成41
  • 3.2 理论计算41-42
  • 3.3 结果和讨论42-50
  • 3.3.1 单晶衍射结果分析42-45
  • 3.3.2 变温红外光谱分析45-46
  • 3.3.3 氢键的能量计算分析46-48
  • 3.3.4 电子密度的拓扑性质分析48-50
  • 3.4 本章小结50-52
  • 第4章 高氯酸盐吸附染料的机理的探讨52-66
  • 4.1 实验部分52-54
  • 4.1.1 试剂与原料52-53
  • 4.1.2 仪器及方法53
  • 4.1.3 亚甲基蓝的标准曲线的制作53-54
  • 4.2 吸附实验测定方法54
  • 4.3 吸附结果讨论54-59
  • 4.3.1 甲基橙的吸附结果分析54-56
  • 4.3.2 甲基橙吸附的结果讨论56-57
  • 4.3.3 亚甲基蓝的吸附结果分析57-59
  • 4.4 亚甲基蓝吸附机理分析59-64
  • 4.4.1 不同的盐对亚甲基蓝的静态吸附的探究59-61
  • 4.4.2 高氯酸盐对亚甲基蓝的氧化还原性的探究61-62
  • 4.4.3 镍离子对亚甲基蓝的配合沉淀作用的探究62-63
  • 4.4.4 pH的影响63-64
  • 4.5 本章小结64-66
  • 第5章 总结66-68
  • 5.1 总结66-67
  • 5.2 展望67-68
  • 参考文献68-82
  • 攻读硕士期间发表的论文82-84
  • 致谢84

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