【MIL-47(V)】简便溶剂热合成钒金属-有机框架用于高性能环氧/MOF涂层及其增强的防腐性能

首页 > 行业动态 > 【MIL-47(V)】简便溶剂热合成钒金属-有机框架用于高性能环氧/MOF涂层及其增强的防腐性能

摘要：
1) 本文(RSC Adv., 2022,12, 9008-9022）报道了一种简便的溶剂热合成方法，用于制备基于钒的金属-有机框架MIL-47，并将其应用于环氧树脂涂层中，以提高铝合金AA2024在富含氯的环境中的防腐性能。
2) 通过使用低成本、易得的钒源V2O5，实现了MIL-47的低温快速合成。合成的MIL-47微米棒状结构具有独特的结构和性质，包括热稳定性和高比表面积。
3) 在环氧涂层中添加10%的MIL-47显著提高了涂层的防腐性能，通过电化学阻抗谱（EIS）测试，证实了MIL-47/环氧涂层能够在60天内有效防止AA2024合金在人造海水中的腐蚀。

研究背景：
1) 行业问题：金属腐蚀是工业和制造业中的主要问题，尤其是在富含氯的环境中，如海洋大气，这会导致金属的物理化学性能显著下降。
2) 现有解决方案：传统的防腐方法包括使用有机涂层，如环氧树脂，但这些涂层在长期暴露于腐蚀介质中时会逐渐失效。
3) 本文创新：本研究利用MIL-47(V) MOF的独特性质，通过在环氧树脂中添加MIL-47微米棒，显著提高了涂层的防腐性能，延长了铝合金AA2024的使用寿命。

实验部分：
1. MIL-47的合成与表征
1) MIL-47as
由V2O5作为金属源，通过溶剂热法在180°C下反应20小时合成。
V的价态：V3+（在合成过程中，V2O5提供的钒离子为+3价）。
热稳定性：较低，因为MIL-47as在200-350°C区间有约30%的重量损失，主要是由于V3+金属中心的氧化和氢氧根团的丢失。
孔径：窄孔（np）形态，由于未反应的BDC分子包含在孔中。
比表面：SLangmuir = 1320 m² g⁻¹。
TG：通过热重分析（TGA）显示，MIL-47as样品从室温加热到800°C时，总失重约为70%。
2) MIL-47(lp)：
经过加热活化后，MIL-47转变为占据大孔（lp）形态的结构。在此状态下，MIL-47显示出较高的热稳定性，其TGA曲线显示总重量损失约为60%，比MIL-47as少10%。这种状态下的MIL-47具有较好的化学稳定性，适合于进一步的应用，如防腐涂层。
V的价态：V4+（在热激活过程中，V3+离子氧化为V4+，形成vanadyl group (V=O)）。
热稳定性：较高，热激活后的MIL-47在350-450°C区间显示出主要的重量损失步骤，总失重约为60%。
孔径：大孔（lp）形态，热激活导致结构膨胀，占据大孔形态。
比表面：保持高比表面，与合成状态相似。
拓扑结构：热激活过程中，V3+离子氧化为V4+，但拓扑结构保持不变。

2. 结构和热稳定性表征
1) 使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱对MIL-47的结构进行了表征，确认了钒阳离子与H2BDC配体之间的连接。
2) FTIR结果与MIL-47框架的报告一致，拉曼光谱显示合成的MOF晶体中没有氧化物残留。
3) 热重分析（TGA）用于研究MIL-47的热稳定性。
4) MIL-47as样品从室温加热到800°C时，出现了三个重量损失步骤，分别对应于溶剂蒸发、V3+金属中心的氧化和有机连接体的脱落。最终，MIL-47as样品失去了约70%的初始重量，与已发表的TGA数据一致，证实了MOF的纯度和无金属前驱体残留。

3. 形貌和元素分布分析
1) 扫描电子显微镜（SEM）用于观察MIL-47的形貌，能量色散X射线光谱（EDX）用于元素分析和映射。
2) SEM图像显示了MIL-47的棒状晶体结构，长度小于10微米。EDX分析确认了V、O、C三种主要元素在MOF结构中的均匀分布。

4. 涂层的制备与性能测试
1) 将MIL-47添加到环氧树脂中，制备了MOF/环氧涂层，并测试了涂层的附着力和厚度。涂层在AA2024基材上表现出优异的附着力，厚度均匀约为10±2微米。
2) 通过电化学阻抗谱（EIS）评估了涂层样品的腐蚀防护行为。MOF/环氧涂层在3.5% NaCl溶液中展现出比纯环氧涂层更好的耐腐蚀性能，能够在长达60天的浸泡过程中有效防止AA2024合金的腐蚀。

总结：
1) 本研究成功通过简便的溶剂热合成方法制备了MIL-47(V) MOF，并将其应用于环氧树脂涂层中，显著提高了铝合金AA2024的防腐性能。
2) MIL-47的添加不仅提高了涂层的均匀性和附着力，还通过释放钒酸盐离子在金属表面形成保护膜，延长了涂层的使用寿命。
3) 未来的研究可以进一步优化MIL-47的合成条件，以提高其在实际应用中的稳定性和性能。

Facile solvothermal synthesis of a MIL-47(V) metal–organic framework for a high-performance Epoxy/MOF coating with improved anticorrosion properties.
文章作者：Mahmoud Y. Zorainy, Mohamed Sheashea, Serge Kaliaguine, Mohamed Gobarab, and Daria C. Boffito.
DOI: 10.1039/D4PY00815D.
文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ra/d1ra08950a

本文为科研用户原创分享上传用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。