CN107754766B - 一种mof多孔泡沫材料及其制备方法 - Google Patents

一种mof多孔泡沫材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MOF多孔泡沫材料及其制备方法。将CMC与H2O加入容器中，机械搅拌即得到CMC凝胶。取均苯三酸溶于无水乙醇中，超声溶解，记为溶剂A。取Cu(OAc)2溶于H2O中，再加入冰醋酸，超声使其充分溶解，记为溶液B。将溶液A滴加入CMC凝胶中，机械搅拌，然后将溶液B缓慢滴加到之前的溶液中继续搅拌，挥发有机溶剂后，将混合溶液倒入插有斜角金属片的聚四氟乙烯模具中，密封后放置于装有液氮中，速冻后快速放入冷冻干燥机，最后取出即可得到MOF多孔泡沫材料。本发明利用BTC改进了纯CMC的性质，采用原位生长，使MOF晶体均匀分散在混合溶液中，运用冰凝冷冻法，显著提高了MOF复合材料在网状结构上附着吸附力和均匀分散度，并用于去除有机废水中的重金属离子。

Description

一种MOF多孔泡沫材料及其制备方法
技术领域
本发明属于新型功能材料领域，具体涉及多孔泡沫材料及其制备方法。
背景技术
金属-有机框架(Metal-Organic Frameworks)，简称MOF，是由有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料。
金属有机框架(MOF)材料是一类新兴的纳米多孔材料，如何研发出绿色环保及简便的制备方法对于其工业应用具有重要的意义。随着MOF材料种类的日益增多以及复合MOF材料的逐渐兴起，MOF材料将有不可估量的应用前景。
由于一般的MOF晶体为粉末状，不易成型，这限制了MOF材料在吸附上的应用，因此这成为其在工业生产中亟待解决的难题之一。如果利用生物质材料羧甲基纤维素钠(CMC)与均苯三酸(BTC)的相互作用，形成三维致密均匀的网状结构，采用原位生长的方法将MOF晶体生长在其表面，即可起到包裹并固定晶体的作用，又可促进晶体的生长，而且CMC-BTC与MOF晶体的协同作用可增大其的吸附能力。CMC与BTC的相互作用为MOF晶体的生长提供了坚韧的骨架支撑，使其形成MOF多孔泡沫材料，从电镜结构观察可知其具有分布均匀的纳米级孔隙结构，在网状结构上均匀地分布着大小均一，形态规则的MOF晶体。宏观上在有机溶剂中不溶解，结构不坍塌，因此可直接利用该材料在高浓度有机废水中进行吸附重金属离子，这将为解决目前治理重金属工业污水的技术难题提供有力的技术参考。
发明内容
本发明针对现有多孔泡沫材料吸附分子分布不均匀和吸附力弱，且泡沫材料易收缩变形等问题而导致复合材料循环性能差等问题，提供一种MOF多孔泡沫材料及其制备方法。利用CMC与BTC之间相互的聚合作用，使CMC表面由片状光滑的结构改性成具有均匀孔隙大小的结构；利用原位合成法，使得MOF晶体被网状结构包裹，晶体尺寸增大，采用冰凝冷冻法将其复合材料中的冰晶模板完整保存下来，抽真空后，冰晶消失留下相对位置的孔隙，以此获得高孔隙度和强吸附结合的MOF多孔泡沫材料。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种MOF多孔泡沫材料，该材料具有纳米级孔10～15nm的孔道，其纳米级孔对MOF分子具有强吸附作用力及包裹能力，且CMC含有羟基的结构还能够用于有机废水中的重金属离子的沉降，所制得的MOF多孔泡沫材料的BET比表面积在550～570m2/g，其孔平均孔径在10～15nm，晶体尺寸为1～5μm，其晶体结构为形状大小均一的规则正八面体结构，晶体表面被网状结构包裹。
本发明的MOF多孔泡沫材料的制备方法，包括如下步骤，
(1)CMC凝胶的制备：将CMC与H2O分多次加入圆底烧瓶中，装置密封后置于水浴锅中机械搅拌；
(2)BTC溶液的制备：取BTC溶于无水乙醇中，超声使其充分溶解，记为溶剂A；
(3)Cu(OAc)2溶液的制备：取Cu(OAc)2溶于H2O中，再加入冰醋酸，超声使其充分溶解，记为溶液B；
(4)MOF多孔泡沫材料的制备：将溶液A滴加入CMC溶液中，机械搅拌，然后将溶液B缓慢滴加到之前的溶液中继续机械搅拌，挥发混合溶液中的有机溶剂后，将混合溶液倒入插有斜角金属片的聚四氟乙烯的模具中，用保鲜膜密封后放置于装有液氮的保温杯中，速冻后快速放入冷冻干燥机，最后取出即可得到MOF多孔泡沫材料。
作为方案的进一步优选，所述步骤(1)中CMC与H2O的质体比为1.4～1.5:10，分3～10次加入圆底烧瓶，反应时间为25～55min，机械搅拌20～60min，反应温度为50～60℃；
作为方案的进一步优选，所述步骤(2)中加入的BTC与无水乙醇的质体比为1.5～1.6:20，BTC的超声时间为3～6min。
作为方案的进一步优选，所述步骤(4)中选择传热系数不同的的金属片：Cu，Fe，Al，与模具的面倾斜的角度为10°～30°。因为选择不同传热系数的金属片，可以使得复合材料从底部向上速冻，忽略聚四氟乙烯侧壁对材料冷冻的影响。采用不同角度的金属片使得其冷冻方向为底部尖端处向上规则地径向生长，控制倾斜角在10°～30°，能调控复合材料中冰晶的生长形貌和速度。
作为方案的进一步优选，所述步骤(4)中MOF多孔泡沫材料冷冻干燥具体的操作过程：
(a)预冻过程：点击液晶屏冷冻按钮，待冷阱温度保持在-55～-59℃稳定，10～15min后，将材料放置于冷阱内的托盘，冷冻2～3h；
(b)抽真空过程：将放置材料的托盘置于真空罩内，点击真空泵按钮，打开真空泵，待屏幕上真空值达到约10Pa时开始计时，25～30h后关闭冷冻干燥机；
作为方案的进一步优选，所述步骤(4)中有机溶剂的挥发时间为30～90min，速冻时间为3～6min，转移至冷阱过程中的时间不超过2min，真空冷冻时间为25～35h。
作为方案的进一步优选，所述步骤(4)中严格控制模具中的样品进入液氮中的速度：0.3～0.6cm/s。通过控制其浸入液氮中的速率，使得其受冷均匀，以免造成其内部结构仍为溶液状态，而外部凝固成固态，导致内部结构变为无序网状结构。
本发明的原理：首先在室温状态下将两者均匀混合后，通过与BTC的将CMC原本平滑的表面连结成网状结构，利用BTC与Cu(OAc)2的相互作用形成正八面体MOF晶体。首先选择不同材质的金属片来探究传热系数对晶体生长的影响，并且由于金属的导热性能远优于聚四氟乙烯的侧壁，因此可以使得复合材料从底部向上速冻，而忽略侧壁对材料冷冻的影响；采用不同角度的金属片使得其冷冻方向为底部尖端处向上规则地径向生长，同时形成横向和纵向上的规律生长；控制其浸入液氮中的速率，使得其冷冻均匀，以免造成由于速度过快或过慢，导致内部结构变为无序网状结构。然后采用冰凝冷冻法使得抽走CMC与BTC形成的基底骨架支撑中的冰晶，使得其保持完整的分布均匀致密的网状结构。该结构有利于形成尺寸较大的吸附分子，使其总体比表面积增大，有利于促进对高浓度有机废水中的重金属离子吸附，使其吸附能力增强，并利用其形成的坚韧的网状骨架结构，起到包裹并保护吸附分子的作用。
本发明的MOF多孔泡沫材料的比表面积明显高于直接冰凝冷冻条件下的纯CMC材料，且其MOF理论比例值为70％时，形成的泡沫材料骨架坚韧不易变形，能有效地保护网状骨架内部的MOF晶体，同时其晶体尺寸的增大，也说明其CMC-BTC促进了该晶体的生成。
与现有技术相比，本发明优势之处在于：
(1)本发明所使用的载体是羧甲基纤维素钠(CMC)，属于生物质材料范畴，无污染，成本低廉，通过“一锅法”完成，过程简单快捷且环保。
(2)突破羧甲基纤维素钠(CMC)本身具有的平整光滑的结构，通过与BTC的相互作用可形成三维网络互通的多级孔结构，而BTC与Cu(OAc)2相互作用可形成MOF晶体结构，由于采用原位合成方法，使得MOF晶体被CMC与BTC形成的网状结构包裹在内部，而后随着反应的进行，在CMC基底上生长的晶体不断增大，其复合材料的比表面积明显增大，有利于提高吸附分子的吸附力，同时也提高对高浓度有机工业废水中重金属的吸附能力。
(3)本发明利用冰凝冷冻法将CMC-BTC网状结构中的溶剂分子成为冰模板，为抽真空留下均匀致密的孔道结构提供了模板结构。
(4)本发明的MOF多孔泡沫材料具有较高的比表面积，证明其良好的吸附性能和分散性，展现了很好的工业化应用前景。
(5)本发明的制备方法简单易操作，成本较低，适合大规模工业化生产。
(6)本发明中选择不同传热系数的金属片，使得复合材料从底部向上速冻，忽略侧壁对材料冷冻的影响；采用不同角度的金属片使得其冷冻方向为底部尖端处向上规则地径向生长；控制其浸入液氮中的速率，使得其冷冻均匀，以免造成由于速度过快或过慢，导致内部结构变为无序网状结构。
附图说明
图1是纯CMC材料经过冷冻冰凝的SEM图；
图2是CMC-BTC复合材料经过径向生长冰凝后的SEM图；
图3是本发明MOF(HKUST)晶体经过冷冻冰凝的SEM图；
图4是本发明MOF多孔泡沫材料经过冷冻冰凝的SEM图；
图5是本发明MOF多孔泡沫材料经过冷冻冰凝的等温吸附曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
实施例1
一种MOF多孔泡沫材料的制备方法，包括如下步骤，
(1)CMC凝胶的制备：先将1.4667g CMC与10mLH2O分多次加入250mL圆底烧瓶中，将装置密封后置于50℃的水浴锅中机械搅拌20min；
(2)BTC溶液的制备：取1.1550g BTC溶于20mL无水乙醇中，超声6min使其充分溶解，记为溶剂A；
(3)Cu(OAc)2溶液的制备：取0.5775gCu(OAc)2溶于20mLH2O中，加入1mL冰醋酸，超声3min使其充分溶解，记为溶液B；
(4)MOF多孔泡沫材料的制备：将溶液A滴加入CMC溶液中，机械搅拌30min，然后将溶液B缓慢滴加到之前的溶液中，机械搅拌4h。打开保鲜膜，挥发混合溶液中的有机溶剂20min。将混合溶液倒入插有10°斜角铜片的聚四氟乙烯的模具中，用保鲜膜密封后以恒定速度放置于含液氮的容器中，速冻3min后，快速放入冷冻干燥机。25h后取出即可得到MOF多孔泡沫材料。
所述步骤(4)中MOF多孔泡沫材料冷冻干燥具体的操作过程：
(a)预冻过程：点击液晶屏冷冻按钮，待冷阱温度保持-55℃稳定，10min后，将材料放置于冷阱内的托盘，冷冻2h；
(b)抽真空过程：将放置材料的托盘置于真空罩内，点击真空泵按钮，打开真空泵，待屏幕上真空值达到约10Pa时开始计时，25h后关闭冷冻干燥机。
(5)吸附性能测试：将各约0.10g的MOF多孔泡沫材料和纯CMC，分别放入含有50mLCu(II)离子浓度为217.56mg/L的硝酸铜溶液或50mL Cr(VI)离子浓度为180.68mg/L的重铬酸钾溶液中，MOF多孔泡沫材料对Cu(II)离子的吸附量达到90.89mg/g，而纯CMC材料对Cu(II)离子的吸附量分别为12.06mg/g。MOF多孔泡沫材料对Cr(VI)离子的吸附量达到27.90mg/g，而没有加入MOF的纯CMC材料对Cr(VI)离子的吸附量分别为7.67mg/g。
实施例2
一种MOF多孔泡沫材料的制备方法，包括如下步骤，
(1)CMC凝胶的制备：先将14.667g CMC与100mL H2O分多次加入250mL圆底烧瓶中，将装置密封后置于53℃的水浴锅中机械搅拌30min；
(2)BTC溶液的制备：取11.550g BTC溶于200mL无水乙醇中，超声5min使其充分溶解，记为溶剂A；
(3)Cu(OAc)2溶液的制备：取5.250gCu(OAc)2溶于200mLH2O中，加入10mL冰醋酸，超声4min使其充分溶解，记为溶液B；
(4)MOF多孔泡沫材料的制备：将溶液A滴加入CMC溶液中，机械搅拌30min，然后将溶液B缓慢滴加到之前的溶液中，机械搅拌4h。打开保鲜膜，挥发混合溶液中的有机溶剂35min。将混合溶液倒入插有15°斜角铜片的聚四氟乙烯的模具中，用保鲜膜密封后以恒定速度放置于含液氮的容器中，速冻4min后，快速放入冷冻干燥机。27h后取出即可得到MOF多孔泡沫材料。
所述步骤(4)中MOF多孔泡沫材料冷冻干燥具体的操作过程：
(a)预冻过程：点击液晶屏冷冻按钮，待冷阱温度保持-56℃稳定，12min后，将材料放置于冷阱内的托盘，冷冻2.5h；
(b)抽真空过程：将放置材料的托盘置于真空罩内，点击真空泵按钮，打开真空泵，待屏幕上真空值达到约10Pa时开始计时，26h后关闭冷冻干燥机。
(5)吸附性能测试将各约0.10g的MOF多孔泡沫材料和纯CMC，分别放入含有50mLCu(II)离子浓度为217.56mg/L的硝酸铜溶液或50mL Cr(VI)离子浓度为180.68mg/L的重铬酸钾溶液中，MOF多孔泡沫材料对Cu(II)离子的吸附量达到106.78mg/g，而纯CMC材料对Cu(II)离子的吸附量分别为15.56mg/g。MOF多孔泡沫材料对Cr(VI)离子的吸附量达到25.89mg/g，而没有加入MOF的纯CMC材料对Cr(VI)离子的吸附量分别为7.87mg/g
实施例3
一种MOF多孔泡沫材料的制备方法，包括如下步骤，
(1)CMC凝胶的制备：先将1.4667g CMC与10mL H2O分多次加入250mL圆底烧瓶中，将装置密封后置于55℃的水浴锅中机械搅拌40min；
(2)BTC溶液的制备：取1.1550g BTC溶于18mL无水乙醇中，超声4min使其充分溶解，记为溶剂A；
(3)Cu(OAc)2溶液的制备：取0.5775g Cu(OAc)2溶于20mLH2O中，加入1.5mL冰醋酸，超声5min使其充分溶解，记为溶液B；
(4)MOF多孔泡沫材料的制备：将溶液A滴加入CMC溶液中，机械搅拌30min，然后将溶液B缓慢滴加到之前的溶液中，机械搅拌4h。打开保鲜膜，挥发混合溶液中的有机溶剂1h。将混合溶液倒入插有20°斜角铝片的聚四氟乙烯的模具中，用保鲜膜密封后以0.3cm/s放置于含液氮的容器中，速冻3min后，快速放入冷冻干燥机。28h后取出即可得到MOF多孔泡沫材料。
所述步骤(4)中MOF多孔泡沫材料冷冻干燥具体的操作过程：
(a)预冻过程：点击液晶屏冷冻按钮，待冷阱温度保持-57℃稳定，10min后，将材料放置于冷阱内的托盘，冷冻3h；
(b)抽真空过程：将放置材料的托盘置于真空罩内，点击真空泵按钮，打开真空泵，待屏幕上真空值达到约10Pa时开始计时，25h后关闭冷冻干燥机。
(5)吸附性能测试：将各约0.10g的MOF多孔泡沫材料和纯CMC，分别放入含有50mLCu(II)离子浓度为217.56mg/L的硝酸铜溶液或50mL Cr(VI)离子浓度为180.68mg/L的重铬酸钾溶液中，MOF多孔泡沫材料对Cu(II)离子的吸附量达到85.13mg/g，而纯CMC材料对Cu(II)离子的吸附量分别6.74mg/g。MOF多孔泡沫材料对Cr(VI)离子的吸附量达到30.34mg/g，而没有加入MOF的纯CMC材料对Cr(VI)离子的吸附量分别为8.48mg/g。
实施例4
一种MOF多孔泡沫材料的制备方法，包括如下步骤，
(1)CMC凝胶的制备：先将14.667g CMC与100mL H2O分多次加入250mL圆底烧瓶中，将装置密封后置于57℃的水浴锅中机械搅拌50min；
(2)BTC溶液的制备：取11.550g BTC溶于200mL无水乙醇中，超声3min使其充分溶解，记为溶剂A；
(3)Cu(OAc)2溶液的制备：取5.775g Cu(OAc)2溶于200mLH2O中，加入10mL冰醋酸，超声6min使其充分溶解，记为溶液B；
(4)MOF多孔泡沫材料的制备：将溶液A滴加入CMC溶液中，机械搅拌30min，然后将溶液B缓慢滴加到之前的溶液中，机械搅拌4h。打开保鲜膜，挥发混合溶液中的有机溶剂75min。将混合溶液倒入插有25°斜角铝片的聚四氟乙烯的模具中，用保鲜膜密封后以0.3cm/s放置于含液氮的保温杯中，速冻5min后，快速放入冷冻干燥机。32h后取出即可得到MOF多孔泡沫材料。
所述步骤(4)中MOF多孔泡沫材料冷冻干燥具体的操作过程：
(a)预冻过程：点击液晶屏冷冻按钮，待冷阱温度保持-58℃稳定，10min后，将材料放置于冷阱内的托盘，冷冻3h；
(b)抽真空过程：将放置材料的托盘置于真空罩内，点击真空泵按钮，打开真空泵，待屏幕上真空值达到约10Pa时开始计时，30h后关闭冷冻干燥机。
(5)吸附性能测试：将各约0.10g的MOF多孔泡沫材料和纯CMC，分别放入含有50mLCu(II)离子浓度为217.56mg/L的硝酸铜溶液或50mL Cr(VI)离子浓度为180.68mg/L的重铬酸钾溶液中，MOF多孔泡沫材料对Cu(II)离子的吸附量达到98.37mg/g，而纯CMC材料对Cu(II)离子的吸附量分别为12.06mg/g。MOF多孔泡沫材料对Cr(VI)离子的吸附量达到32.90mg/g，而没有加入MOF的纯CMC材料对Cr(VI)离子的吸附量分别为7.67mg/g。
实施例5
一种MOF多孔泡沫材料的制备方法，包括如下步骤，
(1)CMC凝胶的制备：先将1.4667g CMC与10mL H2O分多次加入250mL圆底烧瓶中，将装置密封后置于60℃的水浴锅中机械搅拌60min；
(2)BTC溶液的制备：取1.1550g BTC溶于20mL无水乙醇中，超声5min使其充分溶解，记为溶剂A；
(3)Cu(OAc)2溶液的制备：取0.5775g Cu(OAc)2溶于20mLH2O中，加入1mL冰醋酸，超声5min使其充分溶解，记为溶液B；
(4)MOF多孔泡沫材料的制备：将溶液A滴加入CMC溶液中，机械搅拌30min，然后将溶液B缓慢滴加到之前的溶液中，机械搅拌4h。打开保鲜膜，挥发混合溶液中的有机溶剂90min。将混合溶液倒入插有30°斜角铁片的聚四氟乙烯的模具中，用保鲜膜密封后以0.5cm/s放置于含液氮的保温杯中，速冻5min后，快速放入冷冻干燥机。35h后取出即可得到MOF多孔泡沫材料。
所述步骤(4)中MOF多孔泡沫材料冷冻干燥具体的操作过程：
(a)预冻过程：点击液晶屏冷冻按钮，待冷阱温度保持-59℃稳定，10min后，将材料放置于冷阱内的托盘，冷冻2.5h；
(b)抽真空过程：将放置材料的托盘置于真空罩内，点击真空泵按钮，打开真空泵，待屏幕上真空值达到约10Pa时开始计时，35h后关闭冷冻干燥机。
(5)吸附性能测试：将各约0.10g的MOF多孔泡沫材料和纯CMC，分别放入含有50mLCu(II)离子浓度为217.56mg/L的硝酸铜溶液或50mL Cr(VI)离子浓度为180.68mg/L的重铬酸钾溶液中，MOF多孔泡沫材料对Cu(II)离子的吸附量达到83.78mg/g，而纯CMC材料对Cu(II)离子的吸附量分别为12.06mg/g。MOF多孔泡沫材料对Cr(VI)离子的吸附量达到23.90mg/g，而没有加入MOF的纯CMC材料对Cr(VI)离子的吸附量分别为7.67mg/g。
材料性能测试：
(一)MOF多孔泡沫材料的表面形貌
将本发明制备的CMC，MOF多孔泡沫材料进行电镜扫描，得到图1～图5的SEM图。
图1是纯CMC的SEM照片，图2是CMC-BTC复合材料经过径向生长冰凝后SEM照片，图3是纯MOF(HKUST)的SEM照片，图4是MOF多孔泡沫材料的SEM照片，图5是复合材料的Ι型吸附等温线图。
对比图1和图4中可以看出，MOF多孔泡沫材料与纯CMC材料光滑平整的表面相比，出现了非常丰富且均与的纳米级孔道和通道结构，呈现出多种孔径孔道网状分布格局。而对比图2和图3可以看出，CMC-BTC为MOF的生长提供了固定生长结构所需的网状结构，同时也促进了该晶体的规则生长及均匀分布。这种结构与晶体的协同作用有利于吸附高浓度有机废水中的重金属。
(二)MOF多孔泡沫材料的吸附能力
由图5复合材料为典型的Ι型吸附等温线，表现为介孔吸附，且在p/p0＝0～0.05压力下吸附迅速达到平衡，说明其含有大量的介孔且孔径分布较为集中。对比表1中，MOF多孔泡沫材料中的MOF晶体理论上占70％，而实际测得吸附值大于理论值，这说明CMC-BTC在复合材料的合成中并没有堵塞孔道，反而促进了MOF晶体的生长，并提供了可吸附的纳米级孔道。这进一步验证了该复合材料的良好的吸附性能。
表1是MOF多孔泡沫材料的比表面积和孔隙结构参数。将所制备的复合材料浸入无水乙醇中充分洗涤后，在60℃无水充氮气的条件下预处理干燥12h，利用ASAP2460检测器，将处理后的复合材料置于检测管中，即得到CMC-MOF(HKUST)的比表面积及孔隙结构参数。
表1 CMC-MOF(HKUST)的比表面积和孔隙结构参数
Figure BDA0001484511200000091

Claims (5)

1.一种MOF多孔泡沫材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，
(1) CMC凝胶的制备：将 CMC与 H2O分多次加入圆底烧瓶中，装置密封后置于水浴锅中机械搅拌即可得到CMC凝胶；
(2) BTC溶液的制备：取 BTC溶于无水乙醇中，超声使其充分溶解，记为溶液A；
(3) Cu(OAc)2溶液的制备：取Cu(OAc)2溶于H2O中，再加入冰醋酸，超声使其充分溶解，记为溶液B；
(4) MOF多孔泡沫材料的制备：将溶液A滴加入CMC凝胶中，机械搅拌，然后将溶液B缓慢滴加到之前的溶液中继续机械搅拌，挥发混合溶液中的有机溶剂后，将混合溶液倒入插有斜角金属片的聚四氟乙烯模具中，用保鲜膜密封后放置于装有液氮的容器中，速冻后快速放入冷冻干燥机，最后取出即可得到MOF多孔泡沫材料；该材料为三维网状结构，含有纳米级孔10~15 nm的孔道，比表面积为550~570m2/g;
所述步骤(4)中金属片的材质为Cu，Fe或Al，金属片与模具底部的倾斜角度为10°~30°；
所述步骤(4)中速冻时间为3~6 min，转移至冷阱过程中的时间不超过2 min，真空冷冻时间为25~35 h，模具中的样品进入液氮中的速度为：0.3~0.6cm/s；
所述步骤（4）中冷冻干燥机，具体的操作过程：
(a) 预冻过程：待冷阱温度保持-55~-59℃稳定，10~15 min后，将材料放置于冷阱内的托盘，冷冻2~3 h；
(b) 抽真空过程：将放置材料的托盘置于真空罩内，点击真空泵按钮，打开真空泵，待屏幕上真空值达到10Pa时开始计时，25~ 30h后关闭冷冻干燥机。
2.根据权利要求1所述的MOF多孔泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中CMC与H2O的质量体积比为1.4~1.5:10，分3~10次加入圆底烧瓶，反应时间为25~55 min，机械搅拌20~60 min，反应温度为50~60 °C。
3.根据权利要求1所述的MOF多孔泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中加入的BTC与无水乙醇的质量体积比为1.5~1.6:20，BTC的超声时间为3~6min。
4.根据权利要求1所述的MOF多孔泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，加入的Cu(OAc)2、H2O和冰醋酸的质量体积比为0.5~0.6:20:1，Cu(OAc)2的超声时间为3~6min。
5.根据权利要求1所述的MOF多孔泡沫材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中有机溶剂的挥发时间为30~90min。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111936667B (zh) * 2018-03-30 2022-12-13 大金工业株式会社 叠层体的制造方法
CN109880155B (zh) * 2019-02-19 2020-06-26 中国地质大学（武汉） 一种MOFs改性的聚氨酯软泡材料及其制备和应用
CN111992185B (zh) * 2020-09-21 2022-04-29 桂林理工大学 一种Cu-MOF及其改性吸附材料和制备方法
CN114643044B (zh) * 2020-12-18 2023-08-29 中国石油化工股份有限公司 一种改性金属有机骨架材料及其制法和应用
CN112831058B (zh) * 2021-01-07 2022-05-10 中国农业大学 整体型cg-zif-8金属有机框架泡沫材料及其制备方法与应用
CN113387341B (zh) * 2021-05-26 2023-11-17 中科南京绿色制造产业创新研究院 一种具有磁性的泡沫材料及其制备方法
CN113307325A (zh) * 2021-06-17 2021-08-27 唐山市蓝翔环保设备有限公司 一种用于污水处理的无害药剂及其制备方法
CN116371368A (zh) * 2023-05-05 2023-07-04 扬州大学 一种mof-808-sh/cmc泡沫复合材料的制备方法与应用

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE202008000810U1 (de) * 2007-11-04 2008-12-24 BLüCHER GMBH Sorptionsfiltermaterial
KR101158456B1 (ko) * 2009-11-19 2012-06-19 한국화학연구원 결정성의 다공성 유무기 혼성체 및 그의 제조 방법
CN104148036B (zh) * 2014-07-25 2016-06-08 西安交通大学 一种金属泡沫载体co2吸附剂
CN106622151B (zh) * 2015-11-03 2019-04-12 中国石油化工股份有限公司 含有金属有机骨架材料的复合材料及其制备方法与应用
CN106622139B (zh) * 2015-11-03 2019-05-21 中国石油化工股份有限公司 一种金属有机骨架材料及其制备方法与应用
CN106040182B (zh) * 2016-07-25 2018-12-14 江苏大学 一种苯硼酸型金属有机框架材料修饰碳泡沫吸附剂的制备方法
CN106366636B (zh) * 2016-09-05 2018-08-10 山东师范大学 负载金属有机框架纳米晶体的聚氨酯泡沫及其制备与应用
CN106861634B (zh) * 2017-03-14 2020-03-31 潍坊学院 金属-有机骨架化合物@介孔材料复合材料及其制备方法与应用

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