金属有机骨架材料的批量电化学合成装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种电化学合成装置，具体涉及一种金属有机骨架材料的电化学合成装置及方法。该装置包括反应池本体(1)、产物槽(2)、过滤筛(3)、回流池(4)，反应池本体(1)内设有通孔固定件(6)和开设有槽道(10)的卡槽板(7)，及卡设在槽道(10)内的阳极板和阴极板。采用所述装置合成金属有机骨架材料的方法包括：将电极板卡入槽道(10)，加入反应介质，接通电源后反应，产物蓄积到产物槽(2)后被过滤筛(3)截留，反应介质进入回流池(4)并经回流管(8)被导回反应池本体(1)。通过调整槽道(10)的数量，可同时进行多组电极反应，提高产量，降低成本，减少环境污染。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电化学合成装置及方法，具体来说是一种批量合成金属有机骨架材料的电化学合成装置，以及用所述装置合成金属有机骨架材料的方法。
技术介绍
金属有机骨架材料是由无机金属中心(金属离子或金属簇)与桥连的有机配体通过自组装相互连接，形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料，简称MOFs。由于MOFs材料是一种无机-有机杂化材料，由无机金属离子和有机配体杂化组合，所以它兼具无机材料和有机材料的特点，无机成分使其具有固定的孔道和特定功能，有机成分则使其拥有更大的比表面积并兼具可设计性、孔道尺寸可调节性、孔道表面易功能化等特点。中国专利“一种纳米级金属有机骨架材料的制备方法”(授权公告号102617646B)中公开的纳米级金属有机骨架材料的制备方法包括金属盐、有机配体在溶剂中，加入适当的碱以增加有机配体在溶剂中的溶解度，从而加速MOFs成核获得纳米级MOFs材料，制备得到的纳米级MOFs材料的比表面积大，二氧化碳吸附能力强。中国专利申请(申请号201310428964.1)“金属有机骨架材料、其制备方法及其用途”中公开的金属有机骨架材料制备方法为：将金属盐、有机配体和溶剂装入特氟龙内杯，然后将特氟龙内杯置于一个铁杯内，再将铁杯放入高温炉内进行高温反应，属于传统的溶剂热制备方法。中国专利申请(申请号201410766174.9)“一种金属有机骨架材料的制备及应用”中公开了采用水热法或加热回流法合成MOF(Fe)材料。水热法需在反应釜内高温反应，而且用到氢氟酸，该方法存在耗能大，对设备的腐蚀性强的缺点。目前常用的合成MOFs材料的方法有水热/溶剂热法、扩散法、机械研磨法、微波合成法和超声合成法等，这些方法在不同程度上存在高温高压高耗能、合成工艺复杂、对反应设备和环境要求苛刻、生产效率低等问题。电化学合成方法是一种常温常压、绿色环保、高效率的合成方法，但熟练掌握其工艺却难度很大。中国专利1886536B公开了一种结晶、多空的金属有机骨架材料的电化学制备方法，但其产量只能达到克级，且并未见公开具体的合成装置，本专利技术设计了一套方便、快捷的电化学合成装置，能实现批量合成MOFs材料。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：合成MOFs材料常用水热合成法，其需高温高压、高耗能、合成工艺复杂、对反应设备和环境要求苛刻、生产效率低，产量也非常低，只能达到克级(g)生产。现有技术公开了电化学合成技术原理，但没有具体的装置。本专利技术的目的在于设计一套方便、快捷的利用电化学方法合成MOFs材料的装置，不仅降低成本，还能快速、高纯度的合成金属有机骨架材料单晶，产量能够达到公斤级(kg)，同时实现反应介质的循环使用，降低能耗。具体来说，针对现有技术的不足，本专利技术提供了如下技术方案：一方面，本专利技术提供了一种金属有机骨架材料的电化学合成装置，包括反应池本体1和产物槽2，该装置在产物槽2下方还设有过滤筛3和回流池4，其中，在反应池本体1内设有通孔固定件6和开设有槽道10的卡槽板7，以及卡设在卡槽板7的槽道10内的阳极板和阴极板。优选的，反应池本体1和产物槽2相连为一体，通孔固定件6贯穿反应池本体1而插入至产物槽2中。优选的，所述卡槽板7的一侧固定在通孔固定件6上，卡槽板7的数量至少为3。优选的，各卡槽板7以通孔固定件6为中心均匀分布，各卡槽板7上边的槽道10分布相同，槽道10数量均为(3n-1)，n为电极反应的组数且至少为1。优选的，卡槽板7上的各槽道10用于卡入阳极板、阴极板或绝缘隔板，各槽道10的间距为0.5-30mm，优选1-10mm。优选的，卡槽板7上相邻的两个卡入阳极板和阴极板的槽道10间距相同。优选的，产物槽2呈漏斗状，下端设有塑料活塞9，过滤筛3放置于回流池4上方，过滤筛3和回流池4独立于反应池本体1设置于反应池本体1下方，回流池4的侧壁上设有孔。优选的，回流池4内设有泵，回流管8经由所述孔从回流池4插入反应池本体1内，过滤筛3为100-300目的筛网。优选的，所述绝缘隔板为玻璃或陶瓷，更优选玻璃。优选的，卡设在卡槽板7的槽道10内的阳极板和阴极板为同种金属，该金属选自锌、铜、锰、铁、钴、镍、铬、锆、铝和钛中的一种，优选锌、铜或钴。优选的，所述装置还包括外部支架5。另一方面，本专利技术还提供了采用前述金属有机骨架材料的电化学合成装置合成金属有机骨架材料的方法，其合成步骤包括：将阳极板、阴极板卡入槽道10，加入反应介质，接通电源，开始反应，产物蓄积到产物槽2，通过过滤筛3截留产品，反应介质进入回流池4。优选的，进行2组或2组以上电池反应，往所述槽道10内卡入绝缘隔板。优选的，所述绝缘隔板为玻璃或陶瓷，优选玻璃。优选的，通过打开回流池4内的泵将反应介质经由回流管8导回反应池本体1。优选的，所述阳极板和阴极板为同种金属，选自锌、铜、锰、铁、钴、镍、铬、锆、铝和钛中的一种，更优选锌、铜或钴。优选的，所述反应介质是导电盐与反应物和溶剂形成的混合物。优选的，所述导电盐为无机酸、磺酸、膦酸、硼酸、烷氧基磺酸、磺酰胺的盐、季铵离子或质子化的胺中的一种或几种；反应物为有机配体化合物，包括咪唑类化合物，优选2-甲基咪唑、2-乙基咪唑或苯并咪唑；羧酸类化合物，优选对苯二甲酸、间苯二甲酸或均苯三甲酸；反应溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、甲醇、二甲亚砜、四氢呋喃和水中的一种或几种。优选的，以重量计，导电盐的浓度为0.1-6.0％，优选1.0％-2.0％；有机配体化合物的浓度为0.5-15％，优选2.5％-5.0％。优选的，阳极板和阴极板间的电势差为1.5-30v。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：提供了可以高效、批量、廉价地合成高纯度金属有机骨架材料的电化学合成装置，解决了MOFs材料不能批量制备的问题。此外，溶液的充分重复利用，减小了有机溶剂造成的环境污染，实现了低能耗。附图说明图1是实施例一所述批量合成MOFs材料的装置结构示意图，其中1-反应池本体，2-产物槽，3-过滤筛，4-回流池，5-外部支架，6-通孔固定件，7-卡槽板，8-回流管，9-活塞，槽道10；图2是图1在A-A＇位置的剖面图；图3为图1在B-B＇位置的剖面图；图4为实施例二合成的ZIF-8的XRD图；图5为实施例二合成的ZIF-8的SEM图；图6为实施例二合成的ZIF-8的红外图；图7为实施例三合成的ZIF-8的XRD图；图8为实施例三合成的ZIF-8的SEM图；图9为实施例三合成的ZIF-8的红外图；图10为实施例四合成的ZIF-67的XRD图；图11为实施例四合成的ZIF-67的SEM图；图12为实施例四合成的ZIF-67的红外图；图13为实施例五合成的ZIF-67的XRD图；图14为实施例五合成的ZIF-67的SEM图；图15为实施例五合成的ZIF-67的红外图。具体实施方式本专利技术提供了一种批量合成MOFs材料的电化学合成装置，在常温常压即能发生反应，能耗低，合成工艺简单，产量能达公斤级，且反应介质能够循环使用，减少对环境的污染，降低成本。在本专利技术的一种优选实施方式中，提供了一种批量合成MOFs材料的装置，其结构组成包括：反应池本体1、产物槽2、过滤筛3、回流池4、外部支架5、通孔固定件6和开设有槽道10的卡槽板7。其中，过滤筛3和回流池4位于产物槽2的下方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属有机骨架材料的电化学合成装置，包括反应池本体(1)和产物槽(2)，其特征在于，该装置在产物槽(2)下方还设有过滤筛(3)和回流池(4)，其中，在反应池本体(1)内设有通孔固定件(6)和开设有槽道(10)的卡槽板(7)，以及卡设在卡槽板(7)的槽道(10)内的阳极板和阴极板。

【技术特征摘要】
1.一种金属有机骨架材料的电化学合成装置，包括反应池本体(1)和产物槽(2)，其特征在于，该装置在产物槽(2)下方还设有过滤筛(3)和回流池(4)，其中，在反应池本体(1)内设有通孔固定件(6)和开设有槽道(10)的卡槽板(7)，以及卡设在卡槽板(7)的槽道(10)内的阳极板和阴极板。2.根据权利要求1所述金属有机骨架材料的电化学合成装置，其特征在于，反应池本体(1)和产物槽(2)相连为一体，通孔固定件(6)贯穿反应池本体(1)而插入至产物槽(2)中。3.根据权利要求1或2所述金属有机骨架材料的电化学合成装置，其中，所述卡槽板(7)的一侧固定在通孔固定件(6)上，卡槽板(7)的数量至少为3。4.根据权利要求1-3任一项所述金属有机骨架材料的电化学合成装置，其特征在于，各卡槽板(7)以通孔固定件(6)为中心均匀分布，各卡槽板(7)上边的槽道(10)分布相同，槽道(10)数量均为(3n-1)，n为电极反应的组数且至少为1。5.根据权利要求1-4任一项所述金属有机骨架材料的电化学合成装置，其特征在于，卡槽板(7)上的各槽道(10)用于卡入阳极板、阴极板或绝缘隔板，各槽道(10)的间距为0.5-30mm，优选1-10mm。6.根据权利要求5所述金属有机骨架材料的电化学合成装置，其特征在于，卡槽板(7)上相邻的两个卡入阳极板和阴极板的槽道(10)间距相同。7.根据权利要求1-6任一项所述金属有机骨架材料的电化学合成装置，其特征在于，产物槽(2)呈漏斗状，下端设有塑料活塞(9)，过滤筛(3)放置于回流池(4)上方，过滤筛(3)和回流池(4)独立于反应池本体(1)设置于反应池本体(1)下方，回流池(4)的侧壁上设有孔。8.根据权利要求7所述金属有机骨架材料的电化学合成装置，其中，回流池(4)内设有泵，回流管(8)经由所述孔从回流池(4)插入反应池本体(1)内，过滤筛(3)为100-300目的筛网。9.根据权利要求5-8任一项所述金属有机骨架材料的电化学合成装置，其中，所述绝缘隔板选自玻璃或陶瓷，优选玻璃。10.根据权利要求1-9任一项所述金属有机骨架材料的电化学合成装置，其中，卡设在卡槽板(7)的槽道...

【专利技术属性】
技术研发人员：王崇臣，王鹏，杜雪冬，赵晨，付会芬，陈希，李金，郑雅文，
申请(专利权)人：北京建筑大学，
类型：发明
国别省市：北京;11