CN104525133B - 一种用于n2o吸附的金属有机框架材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于N2O吸附的金属有机框架材料,化学式为{[(CH3)2NH2]19[Ni24(bptc)9(H2O)12(μ2‑O)12(μ3‑OH)4(μ4‑OH)3]·5H2O·DMA}n,式中:n为1到正无穷的自然数,bptc为3,3’,5,5’‑联苯四甲羧酸根离子,DMA为N,N‑二甲基乙酰胺,(CH3)2NH2为二甲胺阳离子;其制备方法是将3,3’,5,5’‑联苯四甲羧酸、四水合醋酸镍、一水合氢氧化锂和浓硝酸加入N,N‑二甲基乙酰胺和蒸馏水中加热后制得。本发明的优点是:产品制备工艺简单、易于操作,制备的金属有机框架材料具有较好的酸碱和热稳定性,并对N2O有较高的吸附量,可用于N2O的存储。
Description
技术领域
本发明涉及金属有机框架材料技术领域,特别是一种用于N2O吸附的金属有机框架材料及其制备方法。
背景技术
气候变化是当今全球面临的重大挑战,人类社会生产生活引起的温室气体排放是全球气候变暖的主要原因。遏制气候变暖,拯救地球家园,是全人类共同的使命。大气中CO2、CH4和N2O是最重要的温室气体,对温室效应的贡献率占了近80%。其中CO2对增强温室效应的贡献率最大,约占60%,是最重要的温室气体。其次是CH4,对温室效应的贡献率约占15%。目前N2O对温室效应的贡献率约占5%,但是其增温效应是CO2的296~310倍,CH4的4-21倍。N2O的环境效应引起人们的广泛关注,许多国际气候变化研究项目都把其列入重要研究内容。氧化亚氮(N2O)是低层大气中含量最高的一种含氮化合物,它具有红外吸收特征,作为大气中仅次于CO2和CH4的几种主要温室气体之一,被列入《京都议定书》减排清单。
研究表明,自工业革命以来,由于人类活动的影响,大气中N2O的浓度急剧增加,到1990年已经达到310ppb,而且还以每年0.2-0.3%的速度增加。N2O是除氟里昂外影响平流层O3的另一种重要化学成分。N2O在大气中的存留时间长,可输送到平流层。在对流层,N2O很稳定,停留时间长达120年。当传输到平流层中时,N2O参与一系列光化学反应,可转化成NO或NO2,并影响O3的光化学平衡,最终导致O3损耗,进而引起臭氧层的破坏。研究表明,如果大气中N2O浓度增倍,不仅会使全球地表气温平均上升0.4℃,并且使大气层中不同高度的臭氧浓度减少10-16%。
国外在七十年代末就开始应用GC-ECD法(气相色谱-电子捕获检测法)测量大气中的N2O。但是我国在这方面的研究报道还很少。
2009年美国科学杂志上,Ravishankara教授课题组研究表明:N2O是整个21世纪中消耗O3最重要的物质。然而对空气中的N2O定量分析目前还鲜有研究。金属有机框架材料(MOFs)作为一种新型能源材料,不仅合成途径多种多样、结构奇妙,而且具有高稳定性、比表面积可调节、可有机功能化,其在能源、气体吸附/分离、医药以及催化方面都有潜在的应用,近年来一直吸引科学家的关注。 2010年,DENG SHUGUANG教授课题组用经典的MOFs材料、MOF-5及MOF-177对N2O进行常温下的吸附研究,但是效果很不理想。基于MOFs材料的框架结构可调性及高稳定性等优异性能,我们对其在N2O捕捉方面做了定量研究,结果表明合成的材料对N2O有良好的吸附性能。
发明内容
本发明的目的是针对N2O是强大的温室气体及其对臭氧层的消耗破坏,提供一种用于N2O吸附的金属有机框架材料及其制备方法,该材料有较好的耐酸碱性能和热稳定性。
本发明的技术方案:
一种用于N2O吸附的金属有机框架材料,化学式为{[(CH3)2NH2]19[Ni24(bptc)9(H2O)12(μ2-O)12(μ3-OH)4(μ4-OH)3]·5H2O·DMA}n,式中:n为1到正无穷的自然数,bptc为3,3’,5,5’-联苯四甲羧酸根离子,DMA为N,N-二甲基乙酰胺,(CH3)2NH2为二甲胺阳离子;该金属有机框架材料由过渡金属Ni2+离子与有机配体通过配位键或者分子间作用力构成三维网络结构,其中有机配体为3,3’,5,5’-联苯四甲羧羧;该三维网状结构中含有两种配位方式不同的Ni2+离子,每三个Ni1离子形成一个三核簇Ni3,每八个Ni2离子形成一个八核簇Ni8,并且每八个Ni3簇与配体形成一个孔径为1.2nm的笼,同时每六个Ni8簇和八个Ni3簇形成一个孔径为1.9nm的笼,这两个笼通过配体连接形成三维框架结构。
一种所述用于N2O吸附的金属-有机框架材料的制备方法,步骤如下:
1)将3,3’,5,5’-联苯四甲羧酸、四水合醋酸镍、一水合氢氧化锂加入N,N-二甲基乙酰胺(DMA)和蒸馏水中,常温下搅拌20min,然后加入浓度为16mol/L的浓硝酸得到混合液;
2)将上述混合液在140℃下加热72小时,然后以2℃/min的速率使温度降到室温,过滤得到绿色块状晶体;
3)将上述晶体用蒸馏水洗涤3-5次,然后用甲醇洗涤2次,在空气中干燥,制得用于N2O吸附的金属有机框架材料。
所述3,3’,5,5’-联苯四甲羧酸、四水合醋酸镍、一水合氢氧化锂、浓硝酸的摩尔比为0.05mmol:0.15mmol:0.1mmol:3mL;一水合氢氧化锂与蒸馏水及N,N-二甲基乙酰胺(DMA)的用量比为0.1mmol:1.5mL:3mL。
一种所述用于N2O吸附的金属有机框架材料的应用:用于N2O的存储,方法是将制备的金属-有机框架材料用甲醇浸泡72小时以交换孔道中的水和N,N-二甲基乙酰胺(DMA)分子,并且每天更换一次甲醇溶剂以实现完全的溶剂交换;将交换后的金属有机框架材料在真空度1mbar及160℃下加热12小时以除去孔道中的甲醇分子,填装到存放N2O吸附剂的装置中备用。
本发明的优点是:1)该材料有较好的酸碱稳定性,在pH为3-13的水溶液中保持稳定,有利于实际应用;2)材料的热稳定性高,变温XRD表明框架在375℃时仍保持稳定;3)在273K/1bar时,材料对N2O的吸附量为116cm3g-1,298K/1bar时,对N2O的吸附量为72cm3g-1,在N2O的吸附方面有良好的应用前景。
附图说明
图1是该金属-有机框架材料的晶体结构图,其中:图1(a):为该金属有机框架材料的不对称单元图,图1(b)为该金属有机框架中直径为1.2nm的笼结构,图1(c)为该金属有机框架中直径为1.9nm的笼结构,图1(d)为该金属有机框架在晶体学c方向的拓扑简化图。
图2是该金属-有机框架材料的酸碱稳定性测试图,为将该金属有机框架材料分别浸泡pH=3、5、8、11、12、13的酸碱性水溶液中24小时后的粉末衍射图。
图3是该金属有机框架材料的变温粉末衍射图。
图4是该金属有机框架材料的气体吸附曲线图。
图5是该金属有机框架材料用甲醇交换后的样品,在空气中放置一个月后的样品,以及气体吸附后的样品的粉末衍射谱图。
具体实施方式
实施例:
一种用于N2O吸附的金属有机框架材料,化学式为{[(CH3)2NH2]19[Ni24(bptc)9(H2O)12(μ2-O)12(μ3-OH)4(μ4-OH)3]·5H2O·DMA}n,式中:n为1到正无穷的自然数,bptc为3,3’,5,5’-联苯四甲羧酸根离子,DMA为N,N-二甲基乙酰胺,(CH3)2NH2为二甲胺阳离子;该金属有机框架材料由过渡金属Ni2+离子与有机配体通过配位键或者分子间作用力构成三维网络结构,其中有机配体为3,3’,5,5’-联苯四甲羧羧;该三维网状结构中含有两种配位方式不同的Ni2+离子,每三个Ni1离子形成一个三核簇Ni3,每八个Ni2离子形成一个八核簇Ni8,并且每八个Ni3簇与配体形成一个孔径为1.2nm的笼,同时每六个Ni8簇和八个Ni3簇形成一个孔径为1.9nm的笼,这两个笼通过配体连接形成三维框架结构。
一种所述用于N2O吸附的金属-有机框架材料的制备方法,步骤如下:
1)将0.05mmol的3,3’,5,5’-联苯四甲羧酸、0.15mmol的四水合醋酸镍、0.1mmol的一水合氢氧化锂加入3mLN,N-二甲基乙酰胺(DMA)和1.5mL蒸馏水中,常温下搅拌20min,然后加入0.15mL浓度为16mol/L的浓硝酸得到混合液;
2)将上述混合液在140℃下加热72小时,然后以2℃/min的速率使温度降到室温,过滤得到绿色块状晶体;
3)将上述晶体用蒸馏水洗涤3次,然后用甲醇洗涤2次,在空气中干燥,制得用于N2O吸附的金属有机框架材料19mg,,产率为51%。
通过Supernova型X射线单晶衍射仪测定晶体结构,使用经过石墨单色器单色化的Mo-Kα射线为入射辐射源,以扫描方式收集衍射点,经过最小二乘法修正他们的坐标及其各向异性参数,氢原子的位置由理论加氢得到,所有的计算使用SHELXL-97和SHELXL-97程序包进行。结果表明:该金属有机框架材料的结构式为{[(CH3)2NH2]19[Ni24(bptc)9(H2O)12(μ2-O)12(μ3-OH)4(μ4-OH)3]·5H2O·DMA}n,属于最高对称性的立方晶系,空间群为Fm-3c,晶胞参数为α=β=γ=90°,晶胞体积为Z=16,Dc=1.063mg/mm3。
图1是该金属-有机框架材料的晶体结构图,其中:图1(a):为该金属有机框架材料的不对称单元图,图1(b)为该金属有机框架中直径为1.2nm的笼结构,图1(c)为该金属有机框架中直径为1.9nm的笼结构,图1(d)为该金属有机框架在晶体学c方向的拓扑简化图。图中表明:Ni1是六配位,与四个来自配体的羧基氧,一个来自水分子的氧,和一个来自μ3-OH的氧原子配位。Ni2也是六配位,但是配位环境与Ni1不同,与两个来源于配体的羧基O原子,三个来自μ4-OH的氧原子和一个来自μ2-O的氧原子配位。在这两种配位方式不同的Ni2+离子中,每三个Ni1离子形成一个三核簇,每八个Ni2离子形成一个八核簇。并且每八个Ni3簇与配体形成一个孔的直径为1.2nm的笼状结构;同时每六个Ni8簇和八个Ni3簇形成一个较大的笼,孔径为1.9nm。这两个笼通过配体连接形成三维框架结构。
性能检测:
将获得的金属有机框架分别浸泡在pH=3、5、8、11、12、13的酸碱性水溶液中24小时后,将晶体过滤,在空气中干燥,并分别进行粉末衍射(XRD)测试。图2是该金属-有机框架材料的酸碱稳定性测试图,图中显示:模拟的晶体衍射峰与浸泡酸碱之后的晶体的衍射峰相吻合,表明材料的框架结构保持不变,本发明的金属-有机框架材料在酸碱溶液中有非常好的稳定性。
为了验证框架的热稳定性,对其进行变温粉末衍射测试。图3是该金属有机框架材料的变温粉末衍射图。图中显示:将该框架材料从50℃开始逐渐加热至400℃。在375℃以下,该材料的粉末衍射峰与模拟的粉末衍射峰相吻合,说明框架保持稳定。在400摄氏度时,基本衍射峰已经消失,说明框架已经坍塌。
一种所述用于N2O吸附的金属有机框架材料的应用:用于N2O的存储,方法是将制备的金属-有机框架材料用甲醇浸泡72小时以交换孔道中的水和N,N-二甲基乙酰胺(DMA)分子,并且每天更换一次甲醇溶剂以实现完全的溶剂交换; 将交换后的金属有机框架材料在真空度1mbar及160℃下加热12小时以除去孔道中的甲醇分子,填装到存放N2O吸附剂的装置中备用,得到可进行吸附测试的金属有机框架材料。
利用Quantachrome IQ2气体吸附仪测得气体吸附数据,分别测试了273K和298K的N2O吸附曲线。图4是该金属有机框架材料的气体吸附曲线图,图中表明:该材料在273K/1bar和298K/1bar时对N2O的吸附量分别达到116cm3g-1和72cm3g-1。说明了该杂化材料在常温下具有良好的N2O捕捉能力。
图5是该金属有机框架材料用甲醇交换后的样品、在空气中放置一个月后的样品、以及气体吸附后的样品的XRD谱图。结果表明:甲醇交换后的样品在经过吸附测试后的XRD图谱与通过单晶数据模拟出的XRD图谱完全吻合,说明材料的晶体结构没有被破坏,可以重复利用。该样品在空气中放置一个月后的XRD谱图也与理论模拟的XRD吻合,说明该材料在空气中非常稳定。
Claims (4)
1.一种用于N2O吸附的金属有机框架材料,其特征在于:化学式为{[(CH3)2NH2]19[Ni24(bptc)9(H2O)12(μ2-O)12(μ3-OH)4(μ4-OH)3]·5H2O·DMA}n,式中:n为1到正无穷的自然数,bptc为3,3’,5,5’-联苯四甲羧酸根离子,DMA为N,N-二甲基乙酰胺,(CH3)2NH2为二甲胺阳离子;该金属有机框架材料由过渡金属Ni2+离子与有机配体通过配位键或者分子间作用力构成三维网络结构,其中有机配体为3,3’,5,5’-联苯四甲羧羧;该三维网状结构中含有两种配位方式不同的Ni2+离子,每三个Ni1离子形成一个三核簇Ni3,每八个Ni2离子形成一个八核簇Ni8,并且每八个Ni3簇与配体形成一个孔径为1.2nm的笼,同时每六个Ni8簇和八个Ni3簇形成一个孔径为1.9nm的笼,这两个笼通过配体连接形成三维框架结构。
2.一种如权利要求1所述用于N2O吸附的金属-有机框架材料的制备方法,其特征在于步骤如下:
1)将3,3’,5,5’-联苯四甲羧酸、四水合醋酸镍、一水合氢氧化锂加入N,N-二甲基乙酰胺(DMA)和蒸馏水中,常温下搅拌20min,然后加入浓度为16mol/L的浓硝酸得到混合液;
2)将上述混合液在140℃下加热72小时,然后以2℃/min的速率使温度降到室温,过滤得到绿色块状晶体;
3)将上述晶体用蒸馏水洗涤3-5次,然后用甲醇洗涤2次,在空气中干燥,制得用于N2O吸附的金属有机框架材料。
3.根据权利要求2所述用于N2O吸附的金属-有机框架材料的制备方法,其特征在于:所述3,3’,5,5’-联苯四甲羧酸、四水合醋酸镍、一水合氢氧化锂、浓硝酸的用量比为0.05mmol:0.15mmol:0.1mmol:3mL;一水合氢氧化锂与蒸馏水及N,N-二甲基乙酰胺(DMA)的用量比为0.1mmol:1.5mL:3mL。
4.一种如权利要求1所述用于N2O吸附的金属有机框架材料的应用,其特征在于:用于N2O的存储,方法是将制备的金属-有机框架材料用甲醇浸泡72小时以交换孔道中的水和N,N-二甲基乙酰胺(DMA)分子,并且每天更换一次甲醇溶剂以实现完全的溶剂交换;将交换后的金属有机框架材料在真空度1mbar及160℃下加热12小时以除去孔道中的甲醇分子,填装到存放N2O吸附剂的装置中备用。
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