CN105195096A - 一种Fe3O4/MIL-101(Cr)的制备方法及应用 - Google Patents
一种Fe3O4/MIL-101(Cr)的制备方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及磁性金属有机骨架材料技术领域,具体涉及一种Fe3O4/MIL-101(Cr)的制备方法及应用,本发明首先通过水热法制备了MIL-101(Cr)材料,将其做为模板,在超声条件下,氮气保护状态下,利用还原共沉淀法在MIL-101(Cr)的孔道内原位生成四氧化三铁粒子。该法得到的Fe3O4/MIL-101(Cr)复合物磁性强、表面积大,合成时间缩短、合成条件可控、合成方法新颖、简单易重复,制备的材料质量稳定且可控、可批量合成。用于环境水中酸性染料的吸附去除,效果良好、重复使用可达6次以上。
Description
技术领域
本发明属于磁性金属有机骨架材料技术领域,涉及一种磁性金属有机骨架材料Fe3O4/MIL-101(Cr)的快速、简易的制备新方法及应用。
背景技术
金属-有机骨架(metal-organicframework,MOFs)是一类新型的多孔晶体材料,由金属离子或金属簇为配位中心,与含氧或含氮的有机配体通过配位作用自组装形成的网状骨架结构。MOFs具有超大的表面积、合成方法灵活、种类和性质多样、孔和晶体尺寸可调及骨架可修饰、热和溶剂稳定性好等优点,使其在气相、液相吸附相关领域应用潜力巨大。但大多数MOFs材料耐水性差,限制了其在水相的应用。仅有MIL-101(Cr)、MIL-100(Fe)、ZIF-8和UiO-66等是为数不多的水稳定的MOFs。
在已合成的众多MOFS中MIL-101(Cr)是有代表性的一种。MIL-101分成两种介孔笼,其中一个由20个超四面体组成,孔径为孔窗为而另一个则是由28个超四面体组成,孔径为孔窗为比表面大,可达5900m2·g-1。且具有大量的金属空位点和优良的水、溶剂和热稳定性,这些特点使得MIL-101(Cr)在很多方面体现出优异的潜在应用价值。但粉末状纳米材料MIL-101(Cr)应用于水相吸附,只能采用离心、过滤等方法,难于回收。
将Fe3O4或Fe2O3这类磁性物质与MOFs材料复合得到的材料,不仅保持了MOFs材料比表面积大、萃取效率高和回收率高的优点,更因为其具有超顺磁性,使得磁性纳米粒子可以回收利用,成功解决了纳米材料固液分离困难的问题。
目前合成磁性MOFs复合材料的方法主要有层层反应法、静电引力原位磁化法、合成Fe3O4的基础上与MOFs原料反应合成。虽然以上方法可以实现MOFs材料的磁功能化,但还存在以下较难克服的缺点:(1)层层反应法制备磁性纳米核-壳材料Fe3O4MIL-100。因这种方法只适用于易溶羧酸配体构成的MOFs,无法将难溶性羧酸配体构成的大表面积MIL-101包裹于Fe3O4表面(F.Ke,L.G.Qiu,Y.P.Yuan,X.Jiang,J.F.Zhu.Fe3O4MOFcore–shellmagneticmicrosphereswithadesignablemetal–organicframeworkshell.JournalofMaterialsChemistry,2012,22,9497-9500.);(2)通过静电引力原位磁化MIL-101。这种材料仅仅依靠静电作用力结合,稳定性较差(S.H.Huo,X.P.Yan.Facilemagnetizationofmetal-organicframeworkMIL-101formagneticsolid-phaseextractionofpolycyclicaromatichydrocarbonsinenvironmentalwatersamples[J].Analyst,2012,137,3445-3451.);(3)将预合成的磁性纳米粒子与合成MOFs的原材料混合,通过水热法制备磁性MOFs材料。但预合成的磁性纳米粒子的粒径大,使复合材料表面积减小、磁性减弱,而且产率低(Y.F.Huang,Y.QWang,Q.S.Zhao,YLi,J.M.Zhang,FacileinsituhydrothermalsynthesisofFe3O4MIL-101compositesforremovingtextiledyes[J].RSCAdvances,2014,4,47921-47924.)。
发明内容
本发明的目的即是采用一种简易快速的方法合成Fe3O4/MIL-101(Cr)。本发明效率高,过程简单可控,能够满足生产要求。
一种制备Fe3O4/MIL-101(Cr)复合材料的方法,该方法包括如下步骤:
(1)合成MIL-101(Cr)
取Cr(NO3)3·9H2O、对苯二甲酸、加入氢氟酸和纯水,反应,得MIL-101(Cr);
(2)制备Fe3O4/MIL-101(Cr)
取MIL-101(Cr),加入FeCl3溶液,混合均匀后通入氮气,加入Na2SO3溶液、NH3·H2O溶液,超声、分离、干燥,得到Fe3O4/MIL-101(Cr)。
具体步骤为:
(1)合成MIL-101(Cr)
取Cr(NO3)3·9H2O和对苯二甲酸,置于聚四氟乙烯内胆中,加入质量分数为35-40%的氢氟酸和纯水,超声,混合均匀后,放置烘箱中于215-225℃下,反应7-9h后,冷却至室温,依次采用N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、纯水分别洗涤,离心、干燥,得到MIL-101(Cr);
(2)制备Fe3O4/MIL-101(Cr)
取MIL-101(Cr),加入浓度为0.05-0.2mol/LFeCl3溶液,混合均匀后在22-30℃下超声25-35min,通入氮气,加入浓度为0.05-0.2mol/LNa2SO3溶液,再加入1.0-3.0mol/LNH3·H2O溶液,室温下超声8-15min,用磁铁分离,干燥,得到Fe3O4/MIL-101(Cr)。
反应在超声条件下进行,整个过程防止Fe2+的氧化,加入Na2SO3溶液之后的操作要保证反应环境处于氮气保护之下。
所述合成MIL-101(Cr)的原料中Cr(NO3)3·9H2O、对苯二甲酸、氢氟酸和纯水的用量比为:0.8-1.2mmol:0.8-1.2mmol:0.8-1.2mmol:263-266mmol。
所述制备Fe3O4/MIL-101(Cr)的原料中MIL-101(Cr)、FeCl3、Na2SO3、NH3·H2O的用量比为0.125-1g:2.5-3.5mmol:0.4-0.6mmol:20-25mmol。其中效果最佳的用量比为0.5g:3mmol:0.5mmol:22.5mmol。
所述的Fe3O4/MIL-101(Cr)用于水中酸性染料的吸附和去除。Fe3O4/MIL-101(Cr)对橙黄G和酸性红1具有很好的吸附能力。实验证明实施例2合成的材料对橙黄G和酸性红1拟合的最大吸附量分别为200.0、142.9mg/g。该材料对水中酸性红1的去除率可达98%左右,可重复利用6次以上。可见Fe3O4/MIL-101(Cr)对水中酸性染料的吸附和去除效果良好。
本发明提供的新方法合成Fe3O4/MIL-101(Cr),与现有技术相比具有以下优势:
(1)本发明首先通过水热法制备了MIL-101(Cr)材料,将其做为模板,利用还原共沉淀法在MIL-101(Cr)的孔道内原位生成四氧化三铁粒子。还原共沉淀法弥补了共沉淀法制备四氧化三铁中Fe2+极易氧化为Fe3+,因而产物中的Fe2+与Fe3+比例很难准确地控制为1∶2的缺点。该法得到的Fe3O4/MIL-101(Cr)复合物磁性强、表面积大,合成时间由共沉淀法的1h缩短至35min,合成条件可控,合成方法新颖(由共沉淀法的搅拌合成改为超声合成,使磁性粒子分散效果更好),简单易重复,制备的材料质量稳定且可控、重复使用可达6次以上、可批量合成。
(2)本发明实施例2制备的材料经N2吸附解吸实验,测得表面积为1790.44m2/g。明显高于现有技术制备的类似材料,如预合成的磁性纳米粒子方法的表面积1482m2/g与共沉淀方法制备材料的表面积1439m2/g。
本发明将利用新方法合成的Fe3O4/MIL-101(Cr),用于环境水中酸性染料的吸附去除,效果良好。而且该材料在水中污染物吸附去除,固相萃取测定水中污染物含量,液相催化反应的催化剂,生物蛋白分离,靶向给药载体等方面有很好的应用前景。而且本发明生产成本低,该材料所带来的经济效益、环境效益十分明显。
附图说明
图1为本发明实施例2制备的Fe3O4/MIL-101(Cr)复合材料的X射线衍射图谱。
图2为本发明实施例2制备的Fe3O4/MIL-101(Cr)复合材料的N2吸附等温线。
图3为本发明实施例2制备的Fe3O4/MIL-101(Cr)复合材料的孔径分布图。
图4为本发明实施例2制备的Fe3O4/MIL-101(Cr)复合材料的透射电镜图。
具体实施方式
以下通过具体实例进一步说明本发明描述的方法,但并不局限于这些实施例子。
实施例1
(1)采用水热法合成MIL-101(Cr)。分别称取800mgCr(NO3)3·9H2O和332mg对苯二甲酸,置于聚四氟乙烯内胆中,加入0.4mL质量分数为35%的氢氟酸和9.5mL纯水,超声15min,混合均匀后,加盖移至不锈钢反应釜内密封后,放置烘箱中于215℃下,反应9h后,自然冷却至室温。产物为绿色粉末,依次采用N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、纯水分别洗涤三次后,高速离心并干燥待用。
(2)采用还原沉淀法制备Fe3O4/MIL-101(Cr)复合材料。称取0.125gMIL-101(Cr),置于100mL三颈烧瓶中,加入60mL浓度为0.05mol/LFeCl3溶液振荡混合均匀后在室温25℃下超声30min,随后先向三颈烧瓶中通入氮气5min,用注射器吸取10mL浓度为0.05mol/LNa2SO3溶液,缓慢滴入三颈瓶,溶液变为草绿色,立即再取22.5mL浓度为1mol/LNH3·H2O溶液,缓慢滴入三颈烧瓶(整个滴加过程均在氮气保护和超声下进行),滴加完毕后,室温下再超声10min,得黑色悬浮物。随后,将产物用磁铁分离,转移至蒸发皿,于60℃真空干燥至恒重,得咖啡色固体粉末。
检测的X射线衍射图谱、N2吸附等温线、孔径分布图、扫描电镜图与实施例2类同。但材料的表面积有所降低,为1530.08m2/g。粒径为200nm-1300nm之间。
实施例2
(1)采用水热法合成MIL-101(Cr)。分别称取800mgCr(NO3)3·9H2O和332mg对苯二甲酸,置于聚四氟乙烯内胆中,加入0.4mL质量分数为35%的氢氟酸和9.5mL纯水,超声15min,混合均匀后,加盖移至不锈钢反应釜内密封后,放置烘箱中于220℃下,反应8h后,自然冷却至室温。产物为绿色粉末,依次采用N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、纯水分别洗涤三次后,高速离心并干燥待用。
(2)采用还原沉淀法制备Fe3O4/MIL-101(Cr)复合材料。称取0.500gMIL-101(Cr),置于100mL三颈烧瓶中,加入30mL浓度为0.1mol/LFeCl3溶液振荡混合均匀后在室温25℃下超声30min,随后先向三颈烧瓶中通入氮气5min,用注射器吸取5mL浓度为0.1mol/LNa2SO3溶液,缓慢滴入三颈瓶,溶液变为草绿色,立即再取15mL浓度为1.5mol/LNH3·H2O溶液,缓慢滴入三颈烧瓶(整个滴加过程均在氮气保护和超声下进行),滴加完毕后,室温下再超声10min,得黑色悬浮物。随后,将产物用磁铁分离,转移至蒸发皿,于60℃真空干燥至恒重,得咖啡色固体粉末。
用X-射线粉末衍射仪对所制备的Fe3O4/MIL-101(Cr)磁性微球进行分析。由附图1可知,制备的磁性微球的XRD衍射峰出现了6个特征峰,分别在2θ为29.98、35.23、43.03、53.35、56.97、62.45处,分别对应Fe3O4特征晶面(220)、(331)、(400)、(422)、(511)和(440)。表明Fe3O4形成复合材料后仍保持立方尖晶石结构。同时,合成制备复合材料与MIL-101(Cr)模拟图谱一致,说明MIL-101(Cr)成功制备。Fe3O4/MIL-101(Cr)复合磁性微球的XRD衍射峰既有Fe3O4特征衍射峰,又可见MIL-101(Cr)特征衍射峰,说明复合材料已成功制备。该材料对水中酸性红1和橙黄G的去除率可达98%左右,可重复利用6次以上。实验数据模拟了吸附动力学和吸附热力学。结果显示,该材料对染料的吸附对Langmuir吸附等温线和二级动力学模型能很好地拟合。热力学参数包括熵、焓、吉布斯自由能,由热力学数据显示材料对染料的吸附是一个自发不可逆且放热、熵减小的过程。
实施例3
(1)采用水热法合成MIL-101(Cr)。分别称取800mgCr(NO3)3·9H2O和332mg对苯二甲酸,置于聚四氟乙烯内胆中,加入0.35mL质量分数为40%的氢氟酸和9.5mL纯水,超声15min,混合均匀后,加盖移至不锈钢反应釜内密封后,放置烘箱中于225℃下,反应7h后,自然冷却至室温。产物为绿色粉末,依次采用N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、纯水分别洗涤三次后,高速离心并干燥待用。
(2)采用还原沉淀法制备Fe3O4/MIL-101(Cr)复合材料。称取1.000gMIL-101(Cr),置于100mL三颈烧瓶中,加入15mL浓度为0.2mol/LFeCl3溶液振荡混合均匀后在室温25℃下超声30min,随后先向三颈烧瓶中通入氮气5min,用注射器吸取2.5mL浓度为0.2mol/LNa2SO3溶液,缓慢滴入三颈瓶,溶液变为草绿色,立即再取7.5mL浓度为3mol/LNH3·H2O溶液,缓慢滴入三颈烧瓶(整个滴加过程均在氮气保护和超声下进行),滴加完毕后,室温下再超声10min,得黑色悬浮物。随后,将产物用磁铁分离,转移至蒸发皿,于60℃真空干燥至恒重,得咖啡色固体粉末。
检测的X射线衍射图谱、N2吸附等温线、孔径分布图、扫描电镜图与实施例2类同。材料的表面积有所增加,为1863.36m2/g,粒径为200nm-1300nm之间。但对水中染料吸附分离过程中磁性明显下降,导致磁性分离时间长。
实施例4
(1)采用水热法合成MIL-101(Cr)。分别称取960mgCr(NO3)3·9H2O和398mg对苯二甲酸,置于聚四氟乙烯内胆中,加入0.5mL质量分数为35%的氢氟酸和9.5mL纯水,超声15min,混合均匀后,加盖移至不锈钢反应釜内密封后,放置烘箱中于215℃下,反应9h后,自然冷却至室温。产物为绿色粉末,依次采用N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、纯水分别洗涤三次后,高速离心并干燥待用。
(2)采用还原沉淀法制备Fe3O4/MIL-101(Cr)复合材料。称取0.125gMIL-101(Cr),置于100mL三颈烧瓶中,加入50mL浓度为0.05mol/LFeCl3溶液振荡混合均匀后在室温25℃下超声25min,随后先向三颈烧瓶中通入氮气5min,用注射器吸取8mL浓度为0.05mol/LNa2SO3溶液,缓慢滴入三颈瓶,溶液变为草绿色,立即再取20mL浓度为1mol/LNH3·H2O溶液,缓慢滴入三颈烧瓶(整个滴加过程均在氮气保护和超声下进行),滴加完毕后,室温下再超声8min,得黑色悬浮物。随后,将产物用磁铁分离,转移至蒸发皿,于60℃真空干燥至恒重,得咖啡色固体粉末。
检测的X射线衍射图谱、N2吸附等温线、孔径分布图、扫描电镜图与实施例2类同。但材料的表面积有所降低,为1499.08m2/g。粒径为200nm-1300nm之间。
实施例5
(1)采用水热法合成MIL-101(Cr)。分别称取800mgCr(NO3)3·9H2O和332mg对苯二甲酸,置于聚四氟乙烯内胆中,加入0.4mL质量分数为35%的氢氟酸和9.5mL纯水,超声15min,混合均匀后,加盖移至不锈钢反应釜内密封后,放置烘箱中于225℃下,反应9h后,自然冷却至室温。产物为绿色粉末,依次采用N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、纯水分别洗涤三次后,高速离心并干燥待用。
(2)采用还原沉淀法制备Fe3O4/MIL-101(Cr)复合材料。称取0.150gMIL-101(Cr),置于100mL三颈烧瓶中,加入70mL浓度为0.05mol/LFeCl3溶液振荡混合均匀后在室温25℃下超声35min,随后先向三颈烧瓶中通入氮气5min,用注射器吸取12mL浓度为0.05mol/LNa2SO3溶液,缓慢滴入三颈瓶,溶液变为草绿色,立即再取25.0mL浓度为1mol/LNH3·H2O溶液,缓慢滴入三颈烧瓶(整个滴加过程均在氮气保护和超声下进行),滴加完毕后,室温下再超声15min,得黑色悬浮物。随后,将产物用磁铁分离,转移至蒸发皿,于60℃真空干燥至恒重,得咖啡色固体粉末。
检测的X射线衍射图谱、N2吸附等温线、孔径分布图、扫描电镜图与实施例2类同。但材料的表面积有所降低,为1510.67m2/g。粒径为200nm-1300nm之间。
实施例6
Fe3O4/MIL-101(Cr)对酸性染料吸附动力学和热力学研究
(1)吸附动力学
分别取50mL浓度为10、20、30、40、50mg/L的AR1溶液,50mL浓度为40、50、60、70、80mg/L的OG溶液并调其pH值为3,测定各组的吸光度,再加入30mgFe3O4/MIL-101(Cr),放入恒温振荡器中,在25℃下,以150rpm频率振荡,在不同的时间下取样测定吸光度。
(2)吸附热力学
取50mL浓度为50mg/L的AR1溶液,50mL浓度为50mg/L的OG溶液并调其pH为3,测定吸光度。加入30mgFe3O4/MIL-101(Cr),振荡频率150rpm,分别在25℃、35℃和45℃条件下进行吸附热力学实验,吸附2h,测定吸光度。
结果显示,该材料对染料的吸附对Langmuir吸附等温线和二级动力学模型能很好地拟合。热力学参数包括熵、焓、吉布斯自由能,由热力学数据显示材料对染料的吸附是一个自发不可逆且放热、熵减小的过程。
Claims (9)
1.一种制备Fe3O4/MIL-101(Cr)的方法,其特征在于:该方法包括如下步骤:
(1)合成MIL-101(Cr)
取Cr(NO3)3·9H2O、对苯二甲酸、加入氢氟酸和纯水,反应,得MIL-101(Cr);
(2)制备Fe3O4/MIL-101(Cr)
取MIL-101(Cr),加入FeCl3溶液,混合均匀后通入氮气,加入Na2SO3溶液、NH3·H2O溶液,超声、分离、干燥,得到Fe3O4/MIL-101(Cr)。
2.如权利要求1所述的制备Fe3O4/MIL-101(Cr)的方法,其特征在于:
(1)合成MIL-101(Cr)
取Cr(NO3)3·9H2O和对苯二甲酸,置于聚四氟乙烯内胆中,加入质量分数为35-40%的氢氟酸和纯水,超声,混合均匀后,放置烘箱中于215-225℃下,反应7-9h后,冷却至室温,依次采用N,N-二甲基甲酰胺、乙醇、纯水分别洗涤,离心、干燥,得到MIL-101(Cr);
(2)制备Fe3O4/MIL-101(Cr)
取MIL-101(Cr),加入浓度为0.05-0.2mol/LFeCl3溶液,混合均匀后在22-30℃下超声,通入氮气,加入浓度为0.05-0.2mol/LNa2SO3溶液,再加入1.0-3.0mol/LNH3·H2O溶液,室温下超声,用磁铁分离,干燥,得到Fe3O4/MIL-101(Cr)。
3.如权利要求1或2所述的制备Fe3O4/MIL-101(Cr)的方法,其特征在于:
步骤(1)中,Cr(NO3)3·9H2O、对苯二甲酸、氢氟酸和纯水的用量比为:0.8-1.2mmol:0.8-1.2mmol:0.8-1.2mmol:263-266mmol。
4.如权利要求1-3任何一项所述的制备Fe3O4/MIL-101(Cr)的方法,其特征在于:
步骤(2)中,MIL-101(Cr)、FeCl3、Na2SO3、NH3·H2O的用量比为0.125-0.150g:2.5-3.5mmol:0.4-0.6mmol:20-25mmol。
5.根据权利要求1-4任何一项所述的一种制备Fe3O4/MIL-101(Cr)的方法,其特征在于:
步骤(2)中制备Fe3O4/MIL-101(Cr)的过程在超声的同时要在氮气保护状态下反应。
6.根据权利要求1-5任何一项所述的一种制备Fe3O4/MIL-101(Cr)的方法,其特征在于:超声条件为:超声功率100W,MIL-101(Cr)与FeCl3溶液混合均匀后在22-30℃超声25-35min。
7.根据权利要求1-6任何一项所述的一种制备Fe3O4/MIL-101(Cr)的方法,其特征在于:加入Na2SO3溶液,NH3·H2O溶液后,室温下超声8-15min。
8.权利要求1-7任何一项所述的方法制备的Fe3O4/MIL-101(Cr)在水中酸性染料的吸附和去除中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用,其特征在于,所述的酸性染料为橙黄G或酸性红1。
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