CN105289749A - 无定形Fe2O3@Cd-MOF和磁性Fe3O4@Cd-MOF纳米复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于合成基于Cd(Ⅱ)的金属有机框架的有机配体L，该有机配体L的制备方法，以及由该有机配体L制备的金属有机框架Cd-MOF-1’。本发明还公开了Cd-MOF微米级片状颗粒A’的制备方法，以及由Cd-MOF微米级片状颗粒A’作为基底制备而成的无定形Fe₂O₃Cd-MOF及磁性Fe₃O₄Cd-MOF纳米复合材料。本发明将无机氧化铁纳米粒子和金属有机框架材料结合起来，既可有效解决纳米颗粒的聚合和回收问题，又可得到具有特殊功能性质的复合材料，复合材料的合成方法简单易行。

Description

无定形Fe2O3Cd-MOF和磁性Fe3O4Cd-MOF纳米复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于无机-有机纳米复合材料制备技术领域，具体涉及无定形Fe₂O₃Cd-MOF和磁性Fe₃O₄Cd-MOF纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

金属有机框架材料(Metal-organicFramework,MOF)是通过金属离子或者金属簇与有机配体之间相互作用，组装形成多孔的微米或者纳米材料，由于具有比表面积高、化学稳定性或物理稳定性好、孔径大小的可调以及内外孔道的基团的可修饰等优异性能在储气、载药、化学传感、催化以及富集分离检测等领域得到很多的研究及应用。

纳米微粒由于尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比重，因而表现出许多不同于常规尺寸材料的基本特征。它表现出的量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应这些特殊的物理效应使纳米材料具有奇异的物理化学性质，因而在催化、医药、光吸收、磁介质等方面有广阔的应用前景。催化剂应用方面，较小的粒径和较大的比表面积使其能够暴露出更多的金属或有机金属活性位，进而提高了纳米催化剂的活性与选择性。与传统催化剂相比，纳米催化剂在某些体系中的催化性能更加优越。这些显著的性能优势主要归因于粒子的纳米效应；随着纳米粒子尺寸的变小，催化剂的催化活性不断提高。然而，当催化活性部位的大小降低到纳米尺寸时，纳米粒子表面的自由能却大大增加，这种效应促进了粒子的聚合效应，反而降低了纳米催化剂的催化效率。此外，由于颗粒的大小降低到了纳米尺度，导致非均相催化剂的分离与回收变得更加困难。在多数情况下，通过传统的过滤分离手段已经很难实现纳米尺度非均相催化剂的分离与回收。因此，需要寻找适当的载体，开发出能够高效回收、重复利用的纳米催化剂。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的是提供无定形Fe₂O₃Cd-MOF和磁性Fe₃O₄Cd-MOF纳米复合材料及其制备方法。将无机氧化铁纳米粒子和金属有机框架材料结合起来，既可有效解决纳米颗粒的聚合和回收问题，又可得到具有特殊功能性质的复合材料。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于合成基于Cd(Ⅱ)的金属有机框架的有机配体L，其化学命名为2,7-二(4-苯甲酸)-N-乙基咔唑，其化学结构如式I所示：

该有机配体L的制备方法，步骤如下：

(1)以2,7-二溴咔唑、碘乙烷为原料，与氢化钠在N,N-二甲基甲酰胺溶液中反应，2,7-二溴咔唑、碘乙烷和氢化钠的摩尔比为1:1.2:(3-4)；反应结束后，倒入水中，析出白色固体，抽滤，干燥，硅胶柱层析，即得中间体2,7-二溴-N-乙基咔唑；

(2)以上述中间体，4-甲氧羰基苯硼酸为原料，Pd(PPh₃)₄为催化剂，与氟化铯在四氢呋喃溶液中反应，中间体、4-甲氧羰基苯硼酸和氟化铯的摩尔比为1:3:(4-5)；反应结束后，减压蒸出溶剂，倒入水中，抽滤，干燥，硅胶柱层析，将所得产品在碱性条件下水解，即得有机配体L。

本发明还提供一种基于Cd(Ⅱ)的金属有机框架Cd-MOF-1’，其结构式为[Cd(C₂₈H₁₉O₄N)]_n，n为非零的自然数；其单晶结构如图1所示。

由图1可以看出，Cd-MOF-1’结晶于正交晶系，属于Pbcn空间群，有两种配位环境的Cd(Ⅱ)金属节点，它们由配体羧基上的O原子桥连 其中一种Cd(Ⅱ)节点处在变形八面体{CdO₆}的配位环境中，八面体配位平面被四个来自四个配体L上的羧酸O原子 占据，轴向上是两个来自两个配体L的羧基O原子占据；另一种Cd(Ⅱ)节点处在{CdO₆}的配位环境中，其中包含四个来自两个个配体L上的羧酸O原子 两个来自两个配体L的羧基O原子占据；其三维透视图如图2所示。具体晶体数据见表1。

表1Cd-MOF-1’的晶体学数据

该金属有机框架Cd-MOF-1’是由基于Cd(Ⅱ)的金属有机框架Cd-MOF-1通过加热的方式除去其客体而得到的空框架。

所述金属有机框架Cd-MOF-1的制备方法，步骤如下：

将有机配体L、硝酸镉置于甲醇:N,N-二甲基甲酰胺溶液＝30:1的混合溶液中，85-95℃(优选为90℃)条件下保温72-76小时，降温至室温，即得无色针状晶体Cd-MOF-1；有机配体L、硝酸镉和甲醇:N,N-二甲基甲酰胺溶液＝30:1的混合溶液加入量的比为(0.008-0.010)mmol:(0.012-0.015)mmol:2.0mL。

将晶体Cd-MOF-1加热至140-160℃(优选为150℃)，恒温0.5-1.5小时(优选为1小时)，即得除去客体的晶体Cd-MOF-1’。

基于本发明的金属有机框架Cd-MOF的微米级片状颗粒A，其制备方法为：

将有机配体L、聚乙烯吡咯烷酮溶于N,N-二甲基甲酰胺溶液中，加热至85-95℃(优选为90℃)，滴加硝酸镉的甲醇溶液，加热回流70-75小时(优选为72小时)，即得白色Cd-MOF微米级片状颗粒A；有机配体L、聚乙烯吡咯烷酮、硝酸镉、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺溶液的加入量的比为0.460mmol:(0.036-0.045)mmol:0.690mmol:300.0mL:50.0ml。

制备得到的Cd-MOF微米级片状颗粒A的颗粒尺寸为1-4μm，扫描电子显微镜(SEM)照片如图3所示。

将Cd-MOF微米级片状颗粒A加热至140-160℃(优选为150℃)，恒温0.5-1.5小时(优选为1小时)，即得到除去客体的Cd-MOF微米级片状颗粒A’。

本发明还提供一种无定形Fe₂O₃Cd-MOF复合材料，该复合材料的制备方法为：

将Cd-MOF微米级片状颗粒A’置于小玻璃容器中，五羰基铁置于稍大容器中，将小玻璃瓶放入稍大容器，25-35℃(优选为30℃)密闭环境下维持5-7小时(优选为6小时)，将所得颗粒在180-220℃(优选为200℃)下加热0.5-1.5小时(优选为1小时)，即得棕色无定形Fe₂O₃Cd-MOF复合材料；Cd-MOF微米级片状颗粒A’、五羰基铁加入量比为(0.036-0.047)mmol:(4.0-4.5)ml。

本发明还提供了一种磁性Fe₃O₄Cd-MOF复合材料，该复合材料的制备方法为：

将Cd-MOF微米级片状颗粒A’置于小玻璃容器中，五羰基铁置于稍大容器中，将小玻璃瓶放入稍大容器，25-35℃(优选为30℃)密闭环境下维持维持5-7小时(优选为6小时)，将所得颗粒在330-350℃(优选为340℃)下加热0.5-1.5小时(优选为1小时)，即得黑色磁性Fe₃O₄Cd-MOF复合材料，将其分散在水中，磁铁吸引前后对比照片如图4所示；Cd-MOF微米级片状颗粒A’、五羰基铁加入量比为(0.036-0.047)mmol:(4.0-4.5)ml。

本发明的有益效果：

(1)本发明以基于Cd(Ⅱ)的金属有机框架Cd-MOF作为合成基底，制备得到无定形Fe₂O₃Cd-MOF及磁性Fe₃O₄Cd-MOF纳米复合材料，该纳米复合材料中，无定形Fe₂O₃颗粒和磁性Fe₃O₄颗粒尺寸均相对均匀，大小均在7nm左右(6-8nm)。

(2)本发明制备的Cd-MOF微米级片状颗粒A尺寸为1-4μm，通过高速离心即可实现固液分离，达到回收利用的目的。

(3)本发明的反应条件温和，反应时间短，制备方法简单易行。

(4)本发明的金属有机框架Cd-MOF具有大的孔穴结构，稳定性好。

附图说明

图1本发明的Cd-MOF-1’的单晶结构图；

图2本发明的Cd-MOF-1’的三维透视图；

图3本发明的Cd-MOF微米级片状颗粒A的SEM图；

图4本发明的磁性Fe₃O₄Cd-MOF的复合材料的照片；左图为将磁性Fe₃O₄Cd-MOF的复合材料分散在水中的图，右图为材料被磁铁吸引，溶液变为澄清的图；

图5是本发明实施例1有机配体L的¹HNMR图谱；

图6是本发明的Cd-MOF晶体的PXRD与模拟对照图；

图7是本发明的Cd-MOF微米级片状颗粒A的PXRD与模拟对照图；

图8是本发明的无定形Fe₂O₃Cd-MOF复合材料的PXRD图；

图9是本发明的无定形Fe₂O₃Cd-MOF复合材料的SEM图及EDS映射图像；

图10是本发明的无定形Fe₂O₃Cd-MOF复合材料的TEM图；

图11是本发明的无定形Fe₂O₃Cd-MOF复合材料的XPS能谱图；

图12是本发明的无定形Fe₂O₃Cd-MOF复合材料的拉曼光谱图；

图13是本发明的磁性Fe₃O₄Cd-MOF复合材料的PXRD图；

图14是本发明的磁性Fe₃O₄Cd-MOF复合材料的SEM图及EDS映射图像；

图15是本发明的磁性Fe₃O₄Cd-MOF复合材料的TEM图；

图16是本发明的磁性Fe₃O₄Cd-MOF复合材料的IR谱图；

图17是本发明的复合材料的制备示意图。

具体实施方式

结合实施例对本发明作进一步的说明，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1：有机配体L的制备

具体的制备步骤如下：

(1)2,7-二溴咔唑(9.75g,30mmol)溶于40.0mLDMF，置于250mL单口瓶中，缓慢加入氢化钠(2.40g,100.0mmol),滴加溶有碘乙烷(5.76g,36.0mmol)的DMF(8.0mL)溶液，反应至终点。倒入300.0ml水中，析出白色固体，抽滤，干燥，硅胶柱层析(石油醚：二氯甲烷＝50:1)得白色固体9.30g,产率88.7％。

(2)N₂氛围下，中间体(2.80g,8.0mmol)，4-甲氧羰基苯硼酸(4.10g,24.0mmol),CsF(5.80g,38.0mmol),Pd(PPh₃)₄(3.10g,2.7mmol)，无水四氢呋喃120.0ml，置于250ml三口瓶中，50℃反应至终点。减压蒸出溶剂，倒入水，抽滤，水洗，晾干。硅胶柱层析(洗脱剂：DCM:MeOH＝30:1)，得产品2.23g,产率60.2％。将所得产品(1.29g,2.8mmol)，甲醇30.0ml,四氢呋喃30.0ml，置于100ml单口瓶中，加入6.0mL2M的氢氧化钠溶液，加热回流，反应8小时。反应结束后，滤液用10％的盐酸溶液调pH至2-3，得白色固体1.06g,产率87.5％。

对本实施例制备的有机配体L进行结构表征，其¹HNMR如图5所示。

实施例2：Cd-MOF-1’单晶的合成

将实施例1制备的有机配体L(3.5mg，0.008mmol)、硝酸镉(3.7mg，0.012mmol)，2.0mL甲醇：N,N-二甲基甲酰胺溶液＝30:1的混合溶液，置于5mL小试管中，90℃条件下恒温72小时，经48小时降温至室温，得到Cd-MOF-1单晶；将所得晶体加热至150℃，恒温一个小时，即得无色针状晶体Cd-MOF-1’单晶，结构式为[Cd(C₂₈H₁₉O₄N)]_n，n为非零的自然数；其单晶结构如图1所示，Cd-MOF-1’的三维透视图如图2所示。产量3.5mg,产率78.5％(以L为准)。

我们通过X-ray单晶衍射仪表征了其结构，其实际PXRD与模拟对照如图6所示。

实施例3：Cd-MOF片状颗粒A’的合成

将实施例1制备的配体L(200.0mg,0.460mmol)，聚乙烯吡咯烷酮(2.00g,0.050mmol)溶于50.0mLN,N-二甲基甲酰胺溶液中，加热至90℃，滴加硝酸镉(212.0mg,0.690mmol)的甲醇(300.0ml)溶液，加热回流72小时，结束反应。依次用DMF、甲醇洗涤后，得到Cd-MOF片状颗粒A，扫描电子显微镜(SEM)照片如图3所示，其颗粒尺寸1-4μm。将Cd-MOF片状颗粒A加热至150℃，恒温一个小时，即得白色粉末。产量220.0mg,产率88.7％(以L为基准)。

我们通过PXRD证实其结构与Cd-MOF单晶结构一致，如图7所示。

实施例4：无定形Fe₂O₃Cd-MOF复合材料的制备

片状颗粒A’(20.0mg,0.037mmol)置于小玻璃容器中，4.0mL五羰基铁置于稍大容器中，将小玻璃瓶放入稍大容器，30℃密闭环境下维持6小时，将所得粉末在200℃下加热1小时即得无定形Fe₂O₃Cd-MOF复合材料。

我们通过PXRD证实MOF的框架结构依然存在，如图8所示；其扫描电子显微镜(SEM)及EDS映射图像如图9所示，表明负载的含Fe物种在Cd-MOF基质分布均匀；其透射电子显微镜(TEM)照片如图10所示，由图可看出，负载的小颗粒尺寸为7nm左右；由X射线光电子能谱(XPS)(图11)可知此复合材料中Fe的价态为三价；由PXRD图无氧化铁的峰，和其拉曼光谱图(如图12)证实片状颗粒A’负载的纳米小颗粒为无定形Fe₂O₃。

实施例5：磁性Fe₃O₄Cd-MOF复合材料的制备

片状颗粒A’(20.0mg,0.037mmol)置于小玻璃容器中，4.0mL五羰基铁置于稍大容器中，将小玻璃瓶放入稍大容器，30℃密闭环境下维持6小时，将所得粉末在340℃下加热1小时即得磁性Fe₃O₄Cd-MOF复合材料。

我们通过PXRD证实MOF的框架结构依然存在，如图13所示；且存在γ-Fe₂O₃或Fe₃O₄的峰如图13所示；其SEM及EDS映射图像如图14所示，表明负载的含Fe物种在Cd-MOF基质分布均匀；其TEM照片及电子衍射图(SAED)分别如图15所示，从图中可以看到，磁性颗粒分布相对均匀，透射电镜下观察颗粒外形为近球状。粒子的电子衍射图呈圆环，且圆环上有亮斑，说明在此条件下得到颗粒已经晶化，结晶完好。根据照片放大倍数计算的颗粒平均粒径为7nm左右，晶面间距为0.25nm和0.48nm分别对应Fe₃O₄的(311)和(111)晶面；又由其红外光谱(图16)证实片状颗粒A负载的纳米小颗粒为Fe₃O₄。

对本发明中的复合材料的制备方法，其制备的流程如图17所示。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于合成基于Cd(Ⅱ)的金属有机框架的有机配体L，其特征在于，其化学命名为2,7-二(4-苯甲酸)-N-乙基咔唑，其化学结构如式I所示：

2.权利要求1所述的有机配体L的制备方法，其特征在于，步骤如下：

(1)以2,7-二溴咔唑、碘乙烷为原料，与氢化钠在N,N-二甲基甲酰胺溶液中反应，2,7-二溴咔唑、碘乙烷和氢化钠的摩尔比为1:1.2:(3-4)；反应结束后，倒入水中，析出白色固体，抽滤，干燥，硅胶柱层析，即得中间体2,7-二溴-N-乙基咔唑；

(2)以上述中间体，4-甲氧羰基苯硼酸为原料，Pd(PPh₃)₄为催化剂，与氟化铯在四氢呋喃溶液中反应，中间体、4-甲氧羰基苯硼酸和氟化铯的摩尔比为1:3:(4-5)；反应结束后，蒸出溶剂，倒入水中，抽滤，干燥，硅胶柱层析，将所得产品在碱性条件下水解，即得有机配体L。

3.一种基于Cd(Ⅱ)的金属有机框架Cd-MOF-1’，其特征在于，其结构式为[Cd(C₂₈H₁₉O₄N)]_n，n为非零的自然数；所述Cd-MOF-1’结晶于正交晶系，属于Pbcn空间群。

4.权利要求3所述的金属有机框架Cd-MOF-1’的制备方法，其特征在于，步骤如下：

将权利要求1的有机配体L、硝酸镉置于甲醇:N,N-二甲基甲酰胺溶液＝30:1的混合溶液中，85-95℃条件下保温72-76小时，降温至室温，即得金属有机框架Cd-MOF-1；有机配体L、硝酸镉和甲醇:N,N-二甲基甲酰胺溶液＝30:1的混合溶液加入量的比为(0.008-0.010)mmol:(0.012-0.015)mmol:2.0mL；

将Cd-MOF-1加热至140-160℃，恒温0.5-1.5小时，即得金属有机框架Cd-MOF-1’。

5.一种Cd-MOF微米级片状颗粒A’，其特征在于，由以下步骤制备而成：

将权利要求1的有机配体L、聚乙烯吡咯烷酮溶于N,N-二甲基甲酰胺溶液中，加热至85-95℃，滴加硝酸镉的甲醇溶液，加热回流，即得Cd-MOF微米级片状颗粒A；有机配体L、聚乙烯吡咯烷酮、硝酸镉、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺溶液的加入量的比为0.460mmol:(0.036-0.045)mmol:0.690mmol:300.0mL:50.0ml；

将Cd-MOF微米级片状颗粒A加热至140-160℃，恒温0.5-1.5小时，即得到Cd-MOF微米级片状颗粒A’。

6.如权利要求5所述的Cd-MOF微米级片状颗粒A’，其特征在于，颗粒尺寸为1-4μm。

7.一种无定形Fe₂O₃Cd-MOF复合材料，其特征在于，该复合材料的制备方法为：

将权利要求5所述的Cd-MOF微米级片状颗粒A’置于小容器中，五羰基铁置于大容器中，将小容器放入大容器，25-35℃密闭环境下维持5-7小时，将所得颗粒在180-220℃下加热0.5-1.5小时，即得无定形Fe₂O₃Cd-MOF复合材料；Cd-MOF微米级片状颗粒A’、五羰基铁加入量比为(0.036-0.047)mmol:(4.0-4.5)ml。

8.一种磁性Fe₃O₄Cd-MOF复合材料，其特征在于，该复合材料的制备方法为：

将权利要求5所述的Cd-MOF微米级片状颗粒A’置于小容器中，五羰基铁置于大容器中，将小容器放入大容器，25-35℃密闭环境下维持5-7小时，将所得颗粒在330-350℃下加热0.5-1.5小时，即得磁性Fe₃O₄Cd-MOF复合材料；Cd-MOF微米级片状颗粒A’、五羰基铁加入量比为(0.036-0.047)mmol:(4.0-4.5)ml。

9.如权利要求8所述的磁性Fe₃O₄Cd-MOF复合材料，其特征在于，复合材料中，Fe₃O₄颗粒尺寸为6-8nm。

10.权利要求3所述的基于Cd(Ⅱ)的金属有机框架Cd-MOF-1’、权利要求5所述的Cd-MOF微米级片状颗粒A’、权利要求7所述的无定形Fe₂O₃Cd-MOF复合材料及权利要求8所述的磁性Fe₃O₄Cd-MOF复合材料作为气体和/或小分子吸附剂或催化剂的应用。