CN108864436A - 一种新型钴配合物晶体材料制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钴配合物晶体材料,由六水合硝酸钴,2,4,6‑三(4‑羧基苯基)‑1,3,5‑三嗪和1,10‑邻菲罗啉通过溶剂热法反应后经过滤,干燥制得。其表面积5.2 m2 g‑1,孔径主要分布在2.7~10nm。其制备方法包括以下步骤:1)反应液的配制;2)钴配合物晶体材料的制备。作为催化LiBH4‑2LiNH2体系应用,在205℃的条件下,LiBH4‑2LiNH2体系释放出9.0~10.1wt%氢气,占总放氢量(10.4%wt)的90~98%。本发明制备材料新颖,具有优良的催化性能,在制备新能源领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及光催化领域,具体涉及一种钴配合物晶体材料及其制备方法和应用。
背景技术
化石能源是不可再生的能源,随着世界人口的不断增加,人类对化石能源的开发利用越来越多,这必将导致化石能源的枯竭,同时,化石燃料燃烧产生大量的温室气体(CO2)和有害气体(SO2,NOX等),造成全球变暖、大气污染等一系列的环境问题。因此,寻求一种可再生的绿色新型能源已刻不容缓。而氢气来源丰富,能量密度高,燃烧产物清洁而受到人们的关注,被认为是最具有潜力的替代能源。开发和利用氢能是一项系统工程,其中最基本的四个环节主要包括制氢、储氢、氢气的运输和使用,然而缺乏合理的储氢技术已成为限制氢能利用走向规模化、实用化的瓶颈。开发安全、经济和高效的储氢技术是氢能大规模应用的关键。近年来,Li-B-N-H储氢材料因其高的储氢容量而备受关注,但其高的放氢温度和差的吸氢可逆性严重阻碍了其实用化进程。因此,合成出在较低的温度下可以使Li-B-N-H体系放氢,同时结构和性能都稳定的新型催化剂成为催化储氢的研究的热点。
现有技术浙江理工大学张喻用MOF-74-Co催化LiBH4- 2LiNH2体系放氢时,添加5%,MOF-74-Co作为催化剂催化LiBH4- 2LiNH2放氢时,LiBH4- 2LiNH2-5%MOF-74-Co,在200℃条件下,体系放出9.0wt%的氢气,占总放氢量的87%[张喻,Co基催化剂对Li-B-N-H复合体系储氢性能的影响极其机理[D]].浙江,浙江大学,2014]。
羧酸类配体由于其多变的配位模式和较强的配位能力,在配位化学中扮演着重要的角色。构筑结构多样的新型金属羧酸配位聚合物可以广泛应用在气体存储、分离、催化、传感、生物等领域。因此,在样品制备方面,金属羧酸配位聚合物展现了巨大的优势和潜在的应用。
发明内容
本发明目的是针对Li-B-N-H储氢材料放氢温度较高等问题,提供一种钴配合物晶体材料制备方法,利用金属有机框架化合物自身具有特性,通过溶剂热法合成新型材料,在催化反应的过程中,钴配合物晶体材料被还原成Co,并且均匀的分散在体系中,充分的和LiBH4- 2LiNH2接触使得体系LiBH4- 2LiNH2的活化能降低,放氢动力学能垒的降低必然会使得体系的放氢温度降低。因此,钴配合物晶体材料的添加对LiBH4- 2LiNH2放氢温度有促进的作用。
为了实现上述发明目的,本发明采用的技术方案为:
一种钴配合物晶体材料,由六水合硝酸钴,2,4,6-三(4-羧基苯基)-1,3,5-三嗪和1,10-邻菲罗啉通过溶剂热法反应后经过滤,干燥得到钴配合物晶体材料,所述钴配合物晶体材料有晶体结构,其表面积5.2 m2 g-1,孔径主要分布在2.7~10 nm。
一种钴配合物晶体材料制备方法,包括以下步骤:
步骤1)反应液的配制,取六水合硝酸钴加入蒸馏水中磁力搅拌得到澄清的硝酸钴溶液,再取2,4,6-三(4-羧基苯基)-1,3,5-三嗪和1,10-邻菲罗啉加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中磁力搅拌得到澄清的混合溶液,将上述两种溶液混合,混合的比例为六水合硝酸钴与2,4,6-三(4-羧基苯基)-1,3,5-三嗪和1,10-邻菲罗啉溶液的物质的量之比为(1~4):1:1,然后磁力搅拌1~2 h;
步骤2)钴配合物晶体材料的制备,将步骤1)的反应液装入反应釜置于100~160 ℃烘箱反应18~72 h,反应结束后,控制烘箱以5~10 ℃/min降至室温,静置处理2~3 d,过滤产物再经蒸馏水和N,N-二甲基甲酰胺分别洗涤1~5次,置于50~100 ℃烘箱干燥8~24 h,得到钴配合物晶体材料。
钴配合物晶体材料作为催化LiBH4- 2LiNH2体系应用,在205℃的条件下,LiBH4-2LiNH2体系释放出9.0~10.1wt%氢气,占总放氢量(10.4% wt)的90~98%。
本发明所具备的技术效果通过以下实验进行证实:
X-射线单晶衍射分析:本发明钴配合物晶体材料的X-射线单晶衍射分析是在BrukerD8 venture 型X-射线单晶衍射仪上进行衍射数据的收集,采用石墨单色器 Mo Ka 辐射,波长为 0.071013 nm。采用SHELXTL-97程序包解析并精修其结构得到钴配合物晶体材料的结构。
X-射线粉末衍射分析:本发明钴配合物晶体材料的X射线粉末衍射分析是在Bruker D8 Advance型X射线衍射仪上进行。实验条件为:电压为40 kV,电流为40 mA,扫描范围为5~50°。将实验测试与理论模拟图谱相比较,实验数据与模拟数据很好的吻合在一起,这表明该材料为纯相,不含杂质。
红外吸收光谱测定:本发明钴配合物晶体材料的红外吸收光谱测定是在NICOLET6700型红外光谱仪上进行的。实验条件为:将待测样品与KBr提前干燥2 h, 按照1:100的比例研磨、压片进行测试分析,扫描波数范围为400~4000 cm-1。所得实验结果分析得,金属离子与有机配体成功配位,生成钴配合物晶体材料。
本发明碳材料的氮气吸脱附性能测试是在美国Quanta仪器制造的QuantachromeASIQM0002-4型物理吸附仪上进行的,测试结果表明:该材料展示了典型的IV氮气吸脱附曲线,具有丰富的介孔孔道结构。
钴配合物晶体材料催化 LiBH4- 2LiNH2 体系实验:将LiBH4- 2LiNH2-x Co-MOFs(x=0.01,0.05,0.1)样品以200rpm的转速在行星式球磨机上球磨2h,球磨过程的球料比为100:1,制得相应的化合物,然后将样品在程序控温脱附装置上(TPD)定性分析,实验结果表明当添加质量百分数为5 wt% Co-MOFs用于催化LiBH4- 2LiNH2 体系具有最好的催化效果,温度在205 oC,体系放氢9.5wt%,达到总放氢量的91%。
本发明相对于现有技术,具有以下优点:
一、本发明用于催化,实验操作简单,产物纯度高,产率高达82~90%;
二、相较于现有技术添加5%的MOF-74-Co作为催化剂,在200℃条件下催化LiBH4-2LiNH2放出9.0wt%的氢气,占总放氢量的87%,本发明添加量为5%的Co-MOF,可以放出9.5wt%氢气,占总放氢量(10.4%wt)的91%,催化效果好。
因此,本发明与现有技术相比具有更高的催化效率,在催化领域具有广阔的应用前景。
附图说明:
图1 钴配合物晶体材料中钴的配位环境图;
图2钴配合物晶体材料一维链状结构图;
图3钴配合物晶体材料的三维结构图;
图4为实施例中钴配合物晶体材料理论模拟与实际测试的X-射线粉末衍射图谱;
图5为实施例中钴配合物晶体材料的红外吸收光谱;
图6为具体实施例2的低温氮气等温吸附曲线(a)及孔径分布图(b);
图7为实施例中球磨后LiBH4- 2LiNH2-x Co-MOFs(x=0.01,0.05,0.1)升温过程中体系放氢曲线。
具体实施方式
本发明通过实施例,结合说明书附图对本发明内容作进一步详细说明,但不是对本发明的限定。
实施例一种钴配合物晶体材料的制备方法:
步骤1)反应液的配制,称取582.06 mg 六水合硝酸钴加入10 ml 蒸馏水磁力搅拌得到澄清的硝酸钴溶液,再称取441.39 mg 2,4,6-三(4-羧基苯基)-1,3,5-三嗪和198.22 mg1,10-邻菲罗啉加入15 ml N,N-二甲基甲酰胺溶液中磁力搅拌得到澄清的混合溶液,然后将上述两种溶液混合磁力搅拌1.5h得到反应液。
步骤2)钴配合物晶体材料的制备,将步骤(1)的反应液装入反应釜置于120 ℃ 烘箱反应56 h,反应结束后,控制烘箱以5 ℃/min降至室温,静置处理3 d,过滤产物再经蒸馏水和N,N-二甲基甲酰胺分别洗涤3次,置于80 ℃烘箱干燥16 h,得到钴配合物晶体材料。
本发明制得的钴配合物晶体材料的结构,通过X-ray单晶衍射分析表明钴配合物晶体材料属于三斜晶系,P-1空间群。
如图1所示,中心金属Co(II)原子与四个氧原子以及两个氮原子配位形成一个扭曲的六面体几何构型,其中四个氧原子(O1, O2,O3,O10#1,)来自于两个2,4,6-三(4-羧基苯基)-1,3,5-三嗪配体,两个氮原子(N1,N2)来自 1,10-邻菲罗啉配体;
如图2所示,Co(II)原子通过配体配位连接形成一维链状结构;
如图3所示,一维链状结构进一步通过氢键连接形成三维网络结构。
实施例中钴配合物晶体材料的相结构测试,结果如图4所示,实验测得材料的PXRD谱图与采用 Mercury 软件模拟所得标准XRD 谱图相比较,衍射峰基本能重合,说明晶体材料为纯相。
实施例中钴配合物晶体材料红外吸收光谱测试结果如图5所示,峰位3500 cm-1归属为O-H拉伸振动峰,峰位3244和1538, 1519 cm-1归属为N–H拉伸和弯曲振动峰,峰位在3060 cm-1归属为苯环上的C-H拉伸振动峰,峰位1608 cm-1归属为C=O对称和不对称拉伸振动峰。峰位在1437–1025 cm-1之间归属为C-N拉伸振动峰,1000-500 cm-1之间的峰可归属为金属Co对称和不对称拉伸振动峰,因此所合成材料为钴配合物晶体材料。
实施例中钴配合物晶体材料低温氮气等温吸附曲线及孔径分布图如图6所示,本发明钴配合物晶体材料在低温氮气等温吸附性能测试条件为在120℃条件下脱气10小时,然后在77 K条件下进行氮气等温吸脱附测试。所得材料比表面积达到5.2 m2 g-1。孔径主要分布在2.7~10nm。
实施例中钴配合物晶体材料催化LiBH4- 2LiNH2体系放氢曲线如图7所示。LiBH4-2LiNH2体系初始放氢温度为124℃,完全放氢在300摄氏度左右。当加入钴配合物晶体材料作为催化剂可以显著的提高LiBH4- 2LiNH2体系放氢效率,降低体系放氢温度。其中,催化效率比较好的是LiBH4- 2LiNH2-5% Co-MOFs,其初始放氢温度为69℃,相比于LiBH4- 2LiNH2初始放氢温度低55℃,当温度达到205℃时,体系总的放氢量已达到9.5wt%,相当于总放氢量(10.4wt%)的91%。
Claims (8)
1.一种钴配合物晶体材料,其特征在于:由六水合硝酸钴,2,4,6-三(4-羧基苯基)-1,3,5-三嗪和1,10-邻菲罗啉通过溶剂热法反应后经过滤,干燥制得到钴配合物晶体材料。
2. 根据权利要求1所述的钴配合物晶体材料,其特征在于:所述钴配合物晶体材料为晶体结构,其表面积5.2 m2 g-1,孔径主要分布在2.7~10 nm。
3.根据权利要求1所述的钴配合物晶体材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤1)反应液的配制,取六水合硝酸钴加入蒸馏水中磁力搅拌得到澄清的硝酸钴溶液,再取2,4,6-三(4-羧基苯基)-1,3,5-三嗪和1,10-邻菲罗啉加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中磁力搅拌得到澄清的混合溶液,然后将上述两种溶液混合得到反应液;
步骤2)钴配合物晶体材料的制备,反应液装入反应釜后置于烘箱中反应,将反应产物在一定条件下过滤、干燥即可得到钴配合物晶体材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述步骤1)两种溶液混合的比例满足六水合硝酸钴,2,4,6-三(4-羧基苯基)-1,3,5-三嗪和1,10-邻菲罗啉的物质的量之比为1~4:1:1,蒸馏水和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1 :1~4。
5.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述步骤1)两种溶液混合的条件为在室温下,磁力搅拌1~2 h。
6.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述步骤2)的反应条件为反应温度为100~160 ℃,反应时间为18~72 h, 反应结束后,以5~10℃/min降至室温。
7.根据权利要求3所述的制备方法,其特征在于:所述步骤2)过滤、洗涤、干燥的条件为先静置2~3 d,然后过滤,在50~100 ℃条件下干燥8~24 h。
8.根据权利要求1所述的钴配合物晶体材料作为催化LiBH4- 2LiNH2体系应用,其特征在于:在205℃的条件下,LiBH4- 2LiNH2体系释放出9.0~10.1wt%氢气,占总放氢量(10.4%wt)的90~98%。
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