CN101550168A - 基于1,2,3-丙三酸的微孔配位聚合物材料及其制备方法与应用 - Google Patents

基于1,2,3-丙三酸的微孔配位聚合物材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一类微孔配位聚合物材料，特别是基于1，2，3－丙三酸的具有三维柱层式结构的微孔配位聚合物，该材料具有吸附和储存燃料气体的功能。式Co5(OH)2(tca)2L2·xSol表示的微孔配位聚合物材料，其中，tca为1，2，3－丙三酸，L为异烟酸或4－(4－吡啶基)苯甲酸，Sol为吸附量的溶剂分子，其中x为吸附的溶剂分子个数。将4－(4－吡啶基)苯甲酸或异烟酸与1，2，3－丙三酸溶于水和醇的混合溶液，加入可溶性钴盐，在140～160℃反应得到含溶剂分子的微孔配位聚合物材料。本发明微孔配位聚合物材料的具有很高的热稳定性，有效孔体积较大，可以有效吸附部分有机小分子、二氧化碳和氢气、甲烷等含能气体。

Description

基于1，2，3-丙三酸的微孔配位聚合物材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一类微孔配位聚合物材料，特别是基于1，2，3-丙三酸的具有三维柱层式结构的微孔配位聚合物，该材料具有吸附和储存燃料气体的功能。
背景技术
近年来，金属有机微孔配位聚合物受到了化学家们的极大关注，这是因为其具有多方面的潜在应用价值，例如：气体吸附、储存、分离等等。科学家们一直在探索具有什么样的结构和化学特性的微孔配位聚合物才能最有效的吸附和存储尽可能多的气体。金属有机配位聚合物高维网络的构筑，尤其是三维多孔网络的构筑一直是这一领域的热点研究课题。一个研究策略是将金属离子通过含O或N的配体连接成多核金属簇，然后再通过桥联有机配体构筑成多核的三维网络结构；并且，通过改变配体的尺寸，来调节三维孔道的大小。美国的Yaghi等在这一领域研究比较深入和系统。1995年，他们在Nature上报道的化合物Zn4O(BDC)3(DMF)8(C6H5Cl)(BDC＝1，4-Benzenedicarboxylate)，其中Zn通过羧基基团聚合成Zn4O的金属簇，进而通过对苯二甲酸根桥联形成三维孔穴材料，它的三维结构是以无数个立方体作为基本结构单元组成的三维网络结构，其三个方向的孔径都是8
Figure A20091002231600041
所以它的吸附性质比较好，最高吸附能力达到1500mg/g(Ar)。2002年又在Science上报道了其后续工作：其核心内容就是通过选择或者是合成不同长度的芳香族二元羧酸作为连接配体，以达到控制配位聚合物三维框架孔洞的大小：其孔穴直径从3.8-28.8
Figure A20091002231600042
之间变化，孔洞结构最大时占据了总体积的91.1％。2005年，在Science上继续报道了他们的工作进展，全文较详尽的描述了微孔材料Zn4O(BDC)3在不同温度下的八个对称独立的气体吸附位点。2006年，该课题组又合成了一例由四面体金属簇构筑的具有分层孔结构的金属有机配位聚合物。日本科学家Kitagawa在研究孔穴配位聚合物的性能方面做出了非常出色的工作。2004年，他们在Angew上比较详尽的介绍了这类配合物的功能和其潜在的应用价值，包括分子簇的形成、晶体到晶体结构的转换、气体的吸附(物理吸附、化学吸附、物理化学吸附)、催化活性、外界条件(光照、加热等)诱发的动态结构转换、材料储存等。
作为气体存储材料，这些微孔材料必须具有较高的热稳定性，以保证其主体框架在客体分子失去后不发生坍塌，这样才能实现其实际的应用价值。为了提高对氢气的有效吸附，探索高维配位聚合物的单层物理化学性质，其中，柱层式微孔配位聚合物成了科学家们关注的焦点。
发明内容
本发明的目的是提供一类基于1，2，3-丙三酸的微孔配位聚合物材料。
本发明的另一个目的是提供上述微孔配位聚合物材料的制备方法；
本发明的第三个目的是提供上述微孔配位聚合物材料作为吸附和气体储存方面的应用。
本发明实现过程如下：
式(1)表示的微孔配位聚合物材料，
Co5(OH)2(tca)2L2·xSol    (I)
其中，tca为1，2，3-丙三酸；
L为异烟酸或4-(4-吡啶基)苯甲酸；
Sol为吸附量的溶剂分子，其中x为吸附的溶剂分子个数，不含溶剂分子的微孔配位聚合物材料置于水、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、苯和/或甲苯溶剂中吸附溶剂分子，可得到吸附不同溶剂分子的微孔配位聚合物材料。很显然，吸附的溶剂分子数目x可以是整数，也可能是小数，x还可以为零。可以吸附单一溶剂水、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、苯或甲苯，还可以吸附上述溶剂的混合溶剂。
所述材料为[Co5(OH)2(tca)2(ina)2(EtOH)2]·2H2O，其属于三斜晶系，P-1空间群，晶胞参数为a＝8.8921(5)
Figure A20091002231600061
b＝9.0037(5)
Figure A20091002231600062
c＝11.8171(7)
Figure A20091002231600063
α＝109.985(1)(deg)，β＝91.710(1)(deg)，γ＝100.459(1)(deg)。
所述材料为[Co5(OH)2(tca)2(pybz)2(PrOH)2]·2H2O，其属于三斜晶系，P-1空间群，晶胞参数为a＝8.999(1)
Figure A20091002231600064
b＝9.014(1)
Figure A20091002231600065
c＝15.777(2)α＝74.872(2)(deg)，β＝77.247(2)(deg)，γ＝77.878(3)(deg)。
基于1，2，3-丙三酸的微孔配位聚合物材料的合成方法：将化学计量比的4-(4-吡啶基)苯甲酸或异烟酸与1，2，3-丙三酸溶于醇水溶液中，加入可溶性钴盐，在140～160℃反应得到含溶剂分子的微孔配位聚合物材料。所述的醇为水、甲醇、乙醇、丙醇或丁醇。
将合成得到的含溶剂分子的微孔配位聚合物材料在180～190℃脱去溶剂分子得到不含溶剂分子的微孔配位聚合物材料。
将不含溶剂分子的微孔配位聚合物材料置于水、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、苯或甲苯中吸附溶剂分子，可得到吸附不同溶剂分子的微孔配位聚合物材料。
本发明的优点：
本发明微孔配位聚合物材料的具有很高的热稳定性，有效孔体积较大，可以有效吸附部分有机小分子、二氧化碳和氢气、甲烷等含能气体。
附图说明
图1为配合物[Co5(OH)2(tca)2(ina)2(EtOH)2]·2H2O的金属离子配位环境；
图2为配合物[Co5(OH)2(tca)2(ina)2(EtOH)2]·2H2O的三维双柱层式微孔结构；
图3为配合物[Co5(OH)2(tca)2(ina)2(EtOH)2]·2H2O的一维微孔结构；
图4为配合物[Co5(OH)2(tca)2(ina)2(EtOH)2]·2H2O的热重曲线；
图5为配合物[Co5(OH)2(tca)2(ina)2(EtOH)2]·2H2O的变温粉末衍射曲线；
图6为配合物[Co5(OH)2(tca)2(ina)2(EtOH)2]·2H2O对甲醇吸附曲线；
图7为配合物[Co5(OH)2(tca)2(ina)2(EtOH)2]·2H2O对苯的吸附曲线；
图8为配合物[Co5(OH)2(tca)2(pybz)2(PrOH)2]·2H2O的金属离子配位环境；
图9为配合物[Co5(OH)2(tca)2(pybz)2(PrOH)2]·2H2O的三维双柱层式微孔结构；
图10为配合物[Co5(OH)2(tca)2(pybz)2(PrOH)2]·2H2O的一维微孔结构；
图11为配合物[Co5(OH)2(tca)2(pybz)2(PrOH)2]·2H2O的热重曲线；
图12为配合物[Co5(OH)2(tca)2(pybz)2(PrOH)2]·2H2O的变温粉末衍射曲线；
图13为配合物[Co5(OH)2(tca)2(pybz)2(PrOH)2]·2H2O对甲醇吸附曲线；
图14为配合物[Co5(OH)2(tca)2(pybz)2(PrOH)2]·2H2O对苯的吸附曲线；
具体实施方式
为了更清楚的理解本发明，以下通过发明人给出的依本发明技术方案所完成的具体的实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1：[Co5(OH)2(tca)2(ina)2(EtOH)2]·2H2O的合成
将8mL含有Co(NO3)2·6H2O(1mmol)、1，2，3-丙三酸(0.5mmol)、4-(4-吡啶基)苯甲酸(0.5mmol)和氢氧化钠(1mmol)的水溶液，在空气中用磁力搅拌器搅拌10min，接着加入8mL无水乙醇，继续搅拌5min，然后再转移到容积为23mL、带聚四氟乙烯衬底的水热反应釜，加入三乙胺(0.8mL)后密封，加热到150℃并保持144个小时，然后以每小时10℃的速度冷却到80℃，再直接降到室温。过滤并用母液洗涤得到深红色针状晶体。晶胞参数为a＝8.8921(5)
Figure A20091002231600071
b＝9.0037(5)c＝11.8171(7)
Figure A20091002231600073
α＝109.985(1)(deg)，β＝91.710(1)(deg)，γ＝100.459(1)(deg)。
如附图1所示，配合物1的空间群是P-1；独立单元有三个Co原子(图1)，是以Co1为对称中心的一个五核钴簇。其中Co1分别与两个1，2，3-丙三酸的羧基氧(Co1-O 2.097
Figure A20091002231600074
)和两个异烟酸根上羧基氧(Co1-O 2.074
Figure A20091002231600075
)配位，形成一个CoO6正八面体构型；Co2分别与三个1，2，3-丙三酸的羧基氧(Co2-O 2.048-2.228)、一个羟基氧(Co2-O 2.012
Figure A20091002231600077
)、一个配位乙醇分子(Co2-O 2.107
Figure A20091002231600078
)和异烟酸根上的吡啶氮配位(Co2-N 2.132)，形成CoO5N稍微扭曲的八面体构型；Co3分别与三个1，2，3-丙三酸的羧基氧(Co3-O2.123-2.192
Figure A20091002231600081
)、一个异烟酸根上羧基氧(Co3-O 2.046
Figure A20091002231600082
)，加上另两个羟基氧(Co3-O 2.059和2.060
Figure A20091002231600083
)配位，形成CoO6稍微扭曲的八面体构型。每一个五核钴簇由羟基和1，2，3-丙三酸的羧基拓展为2D网络结构，进而以三齿配体异烟酸为柱，桥联成3D柱层式微孔结构(图2)，有效体积25.7％，孔穴大小约为7.5×7.7
Figure A20091002231600084
客体分子水被包裹在1D孔穴中(图3)。
如图4所示的是配合物1的热重分析图。实验温度控制为室温到910℃，流速15cm3/min，升温速率为10℃/min，氮气氛下的热重分析表明，配合物1在25～257℃之间失去了溶剂水和配位乙醇分子(实验值11.8％，理论值12.2％)。之后框架可保持稳定直至378℃。框架的热解从378℃左右开始，到555℃结束，在此期间，两种有机配体几乎同时失去(实验值58.7％，理论值56.4％)。最后残留物可能为CoO(实验值35.6％，理论值35.8％)。很显然，配合物1有着很高的热稳定性。
如图5所示的是配合物1的粉末衍射图。真空下的变温粉末X-Ray衍射分析表明，在25～370℃之间，配合物1的变温粉末衍射图形基本没有改化，说明在此期间，虽然失去客体水分子和配位乙醇分子，但是配合物的基本框架没有变化。在370～550℃之间，变温粉末衍射证明化合物框架部分坍塌，配合物构形发生改变；550℃时，粉末衍射曲线基本趋于直线，说明框架分解基本结束。
甲醇和苯分子的吸附实验表明(图6-7)，在室温下它们就能够扩散进金属-有机框架的孔道里，其吸附和脱附曲线显示了有趣的回滞特征。随着压强增加，即有大量的甲醇和苯分子被吸附并很快达到饱和，当压强减小时，开始缓慢脱附，当压强大约为零时就不再继续脱附。平均一克样品可以吸附的最大量的甲醇和苯大约分别是88毫克和50毫克；根据兰缪尔分析计算表明，每个五核钴单元分别对应着2.45个甲醇分子和3个苯分子，平均每个钴原子对应于0.49个甲醇分子和0.6个苯分子。对甲醇和苯分子的吸附表明这属于典型的物理化学吸附。
实施例2：[Co5(OH)2(tca)2(pybz)2(PrOH)2]·2H2O的合成
将8mL含有Co(NO3)2·6H2O(1mmol)、1，2，3-丙三酸(0.5mmol)、4-(4-吡啶基)苯甲酸(0.5mmol)和氢氧化钠(1mmol)的水溶液，在空气中用磁力搅拌器搅拌10min，接着加入8mL无水正丙醇，继续搅拌5min，然后再转移到容积为23mL、带聚四氟乙烯衬底的水热反应釜，加入三乙胺(0.8mL)后密封，加热到150℃并保持144个小时，然后以每小时10℃的速度冷却到80℃，再直接降到室温。过滤并用母液洗涤得到深红色针状晶体。晶胞参数为a＝8.999(1)
Figure A20091002231600091
b＝9.014(1)
Figure A20091002231600092
c＝15.777(2)
Figure A20091002231600093
α＝74.872(2)(deg)，β＝77.247(2)(deg)，γ＝77.878(3)(deg)。
如图8所示，配合物2的空间群是P-1；独立单元有三个Co原子，是以Co1为对称中心的一个五核钴簇。其中Co1分别与两个1，2，3-丙三酸的羧基氧(Co1-O 2.095和2.111)和两个异烟酸根上羧基氧(Co1-O 2.051)配位，形成一个CoO6正八面体构型；Co2分别与三个1，2，3-丙三酸的羧基氧(Co2-O 2.054-2.203
Figure A20091002231600096
)、一个羟基氧(Co2-O 2.005
Figure A20091002231600097
)、一个配位丙醇分子(Co2-O 2.136)和4-(4-吡啶基)苯甲酸根上的吡啶氮配位(Co2-N 2.124
Figure A20091002231600099
)，形成CoO5N稍微扭曲的八面体构型；Co3分别与三个1，2，3-丙三酸的羧基氧(Co3-O 2.121-2.200
Figure A200910022316000910
)、一个4-(4-吡啶基)苯甲酸上羧基氧(Co3-O 2.047
Figure A200910022316000911
)，加上另两个羟基氧(Co3-O 2.054和2.065
Figure A200910022316000912
)配位，形成CoO6稍微扭曲的八面体构型。每一个五核钴簇由羟基和1，2，3-丙三酸的羧基拓展为1D链和2D网络结构，进而以三齿配体4-(4-吡啶基)苯甲酸为柱，桥联成3D柱层式微孔结构(图9)，有效体积32.3％，孔穴大小约为12.5×7.5
Figure A200910022316000913
客体分子水被包裹在1D孔穴中(图10)。
如图11所示的是配合物2的热重分析图。实验温度控制为室温到920℃，流速15cm3/min，升温速率10℃/min，氮气氛下的热重分析表明，配合物2在25～181℃之间失去了溶剂水和配位丙醇分子(实验值12.6％，理论值12.7％)。之后框架可保持稳定直至368℃。框架的热解从368℃左右开始，到676℃结束，在此期间，两种有机配体差不多同时失去(实验值59.5％，理论值60.5％)。最后残留物可能为CoO(实验值25.1％，理论值30.5％)。很显然，配合物2有着优异的热稳定性。
真空下的变温粉末衍射分析表明(图12)，在25～368℃之间，配合物2的变温粉末衍射图形基本没有变化，说明在此期间，虽然失去客体水分子和配位丙醇分子，但是配合物的基本框架没有变。在368～650℃之间，变温粉末衍射证明配合物框架部分坍塌，配合物构形发生改变；650℃时，粉末衍射曲线基本趋于直线，说明框架分解基本结束。
与配合物1类似，甲醇和苯分子在室温下就能够扩散进金属-有机框架的孔道里(图13-14)，其吸附和脱附曲线显示了有趣的回滞特征。随着压强增加，即有大量的甲醇和苯分子被吸附并很快达到饱和，当压强减小时，开始缓慢脱附，当压强大约为零时就不再继续脱附。平均一克样品可以吸附的最大量的甲醇和苯大约分别是170毫克和153毫克；根据兰缪尔分析计算表明，每个五核钴单元分别对应着2.6个甲醇分子和2.1个苯分子，平均每个钴原子对应于0.52个甲醇分子和0.42个苯分子。对甲醇和苯分子的吸附表明这属于物理化学吸附。

Claims (9)

1、式(1)表示的微孔配位聚合物材料，
Co5(OH)2(tca)2L2·xSol    (I)
其中，tca为1，2，3-丙三酸；
L为异烟酸或4-(4-吡啶基)苯甲酸；
Sol为吸附量的溶剂分子，其中x为吸附的溶剂分子个数。
2、根据权利要求1所述微孔配位聚合物材料，其特征在于：x为零。
3、根据权利要求1所述微孔配位聚合物材料，其特征在于：所述溶剂分子为水、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、苯和/或甲苯。
4、根据权利要求1所述微孔配位聚合物材料，其特征在于：所述材料为[Co5(OH)2(tca)2(ina)2(EtOH)2]·2H2O，其属于三斜晶系，P-1空间群，晶胞参数为
Figure A2009100223160002C2
α＝109.985(1)(deg)，β＝91.710(1)(deg)，γ＝100.459(1)(deg)。
5、根据权利要求1所述微孔配位聚合物材料，其特征在于：所述材料为[Co5(OH)2(tca)2(pybz)2(PrOH)2]·2H2O，其属于三斜晶系，P-1空间群，晶胞参数为
Figure A2009100223160002C4
Figure A2009100223160002C5
Figure A2009100223160002C6
α＝74.872(2)(deg)，β＝77.247(2)(deg)，γ＝77.878(3)(deg)。
6、权利要求1所述微孔配位聚合物材料的合成方法，其特征在于：将4-(4-吡啶基)苯甲酸或异烟酸与1，2，3-丙三酸溶于水和醇的混合溶液，加入可溶性钴盐，在140～160℃反应得到含溶剂分子的微孔配位聚合物材料。
7、根据权利要求6所述微孔配位聚合物材料的合成方法，其特征在于：将合成得到的含溶剂分子的微孔配位聚合物材料在180～190℃脱去溶剂分子得到不含溶剂分子的微孔配位聚合物材料。
8、根据权利要求7所述微孔配位聚合物材料的合成方法，其特征在于：将不含溶剂分子的微孔配位聚合物材料置于水、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、苯或甲苯中吸附溶剂分子，可得到吸附不同溶剂分子的微孔配位聚合物材料。
9、权利要求1所述微孔配位聚合物材料在吸附和气体储存方面的应用。
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