ZnO@ZIFs纳米材料的合成及其光电性质的研究

【摘要】金属有机框架(metal-organicframeworks,MOFs)材料是基于金属阳离子(如Zn2+)和电子给予体(如羧酸盐和胺)之间经典的配位键结合而成的晶体材料。这两组分通常在溶液中通过自组装合成具有刚性孔道结构的MOFs,该孔道结构不会因为溶剂分子或者其它客体分子的移除而塌陷。无机与有机部分的存在使得MOFs的孔径大小和化学环境可以通过特定的调整而得到。与单纯的MOFs材料相比,MOFs与其它功能材料相结合而成的异质结构则会因为两者的协同作用而表现出更多的优势。ZnO作为一种半导体功能材料,在光电化学上具有很好的应用,ZnO半导体和MOFs组成的核壳异质结构在光电传感器上具有很大的应用前景,它对不同尺寸的分子将表现出不同的光电响应。在这里,我们提出了一种自模板的方法以制备一系列ZnO@MOF核壳异质结构。在合成中,ZnO纳米棒及其阵列不仅充当了模板,又为Zn-MOF的形成提供了Zn2+。在此基础上,我们还对ZnO@MOF核壳异质结构进行了系统的光电响应探究。主要的研究结果如下：(1)利用ZnO为基础的自模板方法,在H20和N,N-二甲基甲酰胺的溶剂中合成出了四种ZnO@MOF核壳异质结构,分别为ZnO@Zn(Im)2、ZnO@Zn(EIm)2、ZnO@ZIF-7、ZnO@ZIF-71,该四种MOF结构具有不同的孔径大小。除此之外,我们还详细研究了溶剂比例和反应温度对ZnO@MOF核壳结构形貌的影响。(2)通过时间反应,对四种核壳异质结构ZnO@Zn(Im)2、ZnO@Zn(EIm)2、ZnO@ZIF-7、ZnO@ZIF-71的生长进行了观察,发现它们有两种不同的生长机理。这取决于它们各自的壳层孔道与对应配体的尺寸大小关系。ZnO@Zn(Im)2和ZnO@ZIF-7在生长过程中表现为配体分子可以自由进出壳层孔道,呈现ZnO核逐渐变细,MOF壳逐渐增厚的过程。与ZnO@Zn(Im)2不同的是,ZnO@ZIF-7生长中配体在壳层的自由出入源于ZIF-7的“开门效应”或者说是“呼吸作用”的存在ZnO@Zn(EIm)2和ZnO@ZIF-71的配体很难自由进出孔道,当MOF完全覆盖ZnO核之后,MOF壳和ZnO核的厚度均无明显变化。(3)选用甲醇、异丙醇、叔丁醇和苯甲醇为捕获剂系统的研究了ZnO@Zn(EIm)2,ZnO@ZIF-7.ZnO@ZIF-71的光电化学性质。ZnO@Zn(EIm)2和ZnO@ZIF-71与我们预期相符,对四种捕获剂都表现出与孔道大小相对应的选择性光电响应,而Zn@ZIF-7却异常的表现出对所有捕获剂的选择。此光电化学测试显示出了壳层ZIFs的尺寸选择性,并且再次证明了ZIF-7结构中“开门效应”或者说“呼吸作用”。
【作者】何悦；
【导师】郑兰荪；
【作者基本信息】厦门大学，无机化学，2014，硕士
【关键词】ZnO@ZIFs复合材料；核壳结构；水热合成法；光电响应；

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