CN108998007A - 一种稀土金属有机框架材料的制备方法 - Google Patents

一种稀土金属有机框架材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种稀土金属有机框架材料，其化学式为：{[(CH3)2NH2][Eu4(FDA)7(DMF)2·0.5DMF]}n。所述框架材料的制备方法包括：(1)分别将有机配体H2FDA和4,4'‑联苯二甲酸溶解到N，N‑二甲基甲酰胺溶剂中；(2)将Eu(NO3)3·6H2O溶解到含硝酸的N，N‑二甲基甲酰胺溶剂中；(3)将上面得到的两种溶液混合，放入密闭的水热反应釜中，恒温反应72h，取出产物后将固体分离；(4)用N，N‑二甲基甲酰胺将上述固体洗涤多次，即可制得无色块状晶体。摘要附图是本发明框架材料的三维结构图。本发明制备的框架材料合成简便易于实施、产率高、成本低廉、重现性好，具有水稳定性和溶剂稳定性，能够通过荧光淬灭效应来检测水中Cr(VI)离子的存在。

Description

一种稀土金属有机框架材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种稀土金属有机框架材料的制备方法，属多孔分子晶体材料技术领域。
背景技术
六价铬离子Cr(VI)，特别是铬酸根离子和重铬酸根离子被广泛应用于颜料、鞣革、电镀等领域。然而铬酸根离子和重铬酸根离子同时也被却认为是众多不可生物降解的环境污染物之一。由于它们能够在生物体内富集，从而引发各种健康问题。过量吸收铬酸根离子和重铬酸根离子会对生物体的器官产生病变从而导致癌症、畸形和基因突变。美国环境署明确规定了饮用水中铬酸根离子和重铬酸根离子的浓度最大不超过100ppb。因此，能够高效和快速检测铬酸根离子和重铬酸根离子已迫在眉睫。
虽然目前已发展了很多先进的技术如原子吸收法、液相色谱法、电感耦合等离子体、光谱分析法、电化学法等能够对铬酸根离子和重铬酸根离子进行检测，但是这些技术普遍存在费时、高成本、复杂的前处理及需要专业人士等问题严重制约着它们的应用。因此发展一种可快速、低成本、无需进行前处理、定量检测这铬酸根离子和重铬酸根离子的方法是非常必要的。
基于金属-有机框架的荧光传感材料被认为是最有前途的检测方法之一，被广泛用来识别阴离子、阳离子、小分子有机物等有害物质。该方法能够简单的通过荧光强度随分析物浓度的变化而变化来检测被分析物的存在。相比传统的分析技术，基于金属-有机框架的荧光传感检测具有高精度、高灵敏度、微小尺寸、响应时间短、适应性好等特点。
发明内容
本发明的目的是，为了获得一种化学稳定性，对六价铬离子响应的稀土金属有机框架材料，本发明公开一种稀土金属有机框架材料的制备方法。
实现本发明的技术方案如下，一种稀土金属有机框架材料，所述框架材料的化学式为：{[(CH3)2NH2][Eu4(FDA)7(DMF)2·0.5DMF]}n，
式中：n为1到正无穷的自然数；FDA为2,5-呋喃二羧酸脱质子所得；DMF为N，N-二甲基甲酰胺。
所述框架材料属于单斜晶系，空间群为P21/n，晶胞参数为： α＝90°，β＝103.8210(10)°，γ＝90°。
所述框架材料的基本结构单元中存在两种配位环境的铕离子，三个半脱氢配体FDA2-，一个配位的DMF分子和四分之一个游离的DMF分子和一个二甲胺阳离子；来源于DMF分子分解的二甲胺阳离子作为一种抗衡阳离子，从而维持了整个框架材料的电荷中性；其中一个铕离子采取变形的十二面体的配位模式，分别与来自七个脱氢配体FDA2-中的八个氧原子进行配位，另一个铕离子也采取同样的配位模式，分别与来自六个脱氢配体FDA2-中的七个氧原子和一个来自于DMF中的氧原子进行配位；相邻的铕离子通过脱氢配体FDA2-的羧酸根形成一维结构的铕链；一维铕链之间进一步通过脱氢配体FDA2-连接，从而在空间上形成三维的网络结构；所述材料具有的孔洞，约占整体材料的19.3％。
所述框架材料可以简化为12-连接的单节点sqc15拓扑，其点符号为(318·442·56)。
所述框架材料具有良好的化学稳定性，可以在水及常见溶剂如甲醇，乙醇，N，N-二甲基甲酰胺,N，N-二甲基乙酰胺,乙腈；1,4-二氧六环，乙二醇中稳定存在。
所述框架材料能通过荧光淬灭效应来检测水中六价铬离子的存在，其检出线分别为1.14×10-4mol·L-1(Cr2O7 2-)and1.12×10-4mol·L-1(CrO4 2-)，可应用于六价铬离子荧光探针领域。
本发明一种稀土金属有机框架材料的制备方法，包括以下合成步骤：
(1)分别将有机配体H2FDA和4,4'-联苯二甲酸溶解到N，N-二甲基甲酰胺溶剂中；
(2)将Eu(NO3)3.6H2O溶解到含硝酸的N，N-二甲基甲酰胺溶剂中；
(3)将步骤(1)和(2)中的两种溶液混合，然后放入密闭的水热反应釜中，在160℃恒温反应72h，取出产物后将固体分离；
(4)用N，N-二甲基甲酰胺将上述固体洗涤多次，即可制得无色块状晶体。
所述H2FDA的N，N-二甲基甲酰胺浓度为0.05-0.5mmol/L；所述4,4'-联苯二甲酸的N，N-二甲基甲酰胺溶液浓度为0.05-0.5mmol/L；所述Eu(NO3)3.6H2O的含硝酸的N，N-二甲基甲酰胺溶液浓度为0.05-0.5mmol/L，硝酸与N，N-二甲基甲酰胺的体积比为1:5。
本发明的有益效果是，本发明制备材料具有良好的化学稳定性，可以在水及常见溶剂如甲醇，乙醇，N，N-二甲基甲酰胺,N，N-二甲基乙酰胺,乙腈；1,4-二氧六环，乙二醇中稳定存在。
XRD表明本框架材料的晶形在水及常见溶剂中仍保持稳定；该材料能够通过荧光淬灭效应来检测水中Cr(VI)离子的存在，其检出线分别为1.14×10-4mol·L-1(Cr2O7 2-)and1.12×10-4mol·L-1(CrO4 2-)，可应用于Cr(VI)离子荧光探针领域。
本发明制备的材料具有合成简便易于实施、产率高等多种优势，因此其在荧光探针固态器件的制备及水中Cr(VI)离子的检测中具有巨大的潜在应用价值。
附图说明
图1是本发明稀土金属有机框架材料的单胞图；
图2是本发明稀土金属有机框架材料三维结构图；
图3是本发明稀土金属有机框架材料拓扑结构图；
图4是本发明稀土金属有机框架材料在不同溶剂中粉末衍射图；
图5是本发明稀土金属有机框架材料在Cr(VI)离子水溶液浸泡后的粉末衍射图；
图6是本发明稀土金属有机框架材料对不同阴离子的荧光光谱；
图7a是本发明稀土金属有机框架材料对重铬酸根离子的荧光光谱,
图7b是本发明稀土金属有机框架材料对铬酸根离子的荧光光谱。
具体实施方式
本实施例一种稀土金属有机框架材料，其化学式为：{[(CH3)2NH2][Eu4(FDA)7(DMF)2·0.5DMF]}n,
式中：n为1到正无穷的自然数；FDA为2,5-呋喃二羧酸脱质子所得；DMF为N，N-二甲基甲酰胺；
所述材料属于单斜晶系，空间群为P21/n，晶胞参数为： α＝90°，β＝103.8210(10)°，γ＝90°；所述材料的基本结构单元中存在两种配位环境的铕离子，三个半脱氢配体FDA2-，一个配位的DMF分子和四分之一个游离的DMF分子和一个二甲胺阳离子；来源于DMF分子分解的二甲胺阳离子作为一种抗衡阳离子，从而维持了整个框架材料的电荷中性；其中一个铕离子采取变形的十二面体的配位模式，分别与来自七个脱氢配体FDA2-中的八个氧原子进行配位，另一个铕离子也采取同样的配位模式，分别与来自六个脱氢配体FDA2-中的七个氧原子和一个来自于DMF中的氧原子进行配位；相邻的铕离子通过脱氢配体FDA2-的羧酸根形成一维结构的铕链；一维结构的铕链之间进一步通过脱氢配体FDA2-连接，从而在空间上形成三维的网络结构；所述材料具有的孔洞，约占整体材料的19.3％；所述材料可以简化为12-连接的单节点sqc15拓扑，其点符号为(318·442·56)。
本实施例一种稀土金属有机框架材料的制备方法，包括以下合成步骤：
(1)分别将312mg有机配体H2FDA和244mg 4,4'-联苯二甲酸溶解到3mL N，N-二甲基甲酰胺溶剂中；
(2)将393mg Eu(NO3)3.6H2O溶解到3.5mL含硝酸的N，N-二甲基甲酰胺溶剂中,硝酸与N，N-二甲基甲酰胺溶剂体积比为1:5；
(3)将步骤1和2中的两种溶液混合，然后放入密闭的水热反应釜中，在160℃恒温反应72h，取出产物后将固体分离；
(4)用N，N-二甲基甲酰胺将上述固体洗涤3-5次，即可制得无色块状晶体,基于金属铕计算得产率为78％。
本实施例制备的锌-有机框架材料性质表征如下：
(1)本实施例铕金属有机框架材料的结构测定：
晶体结构测定采用Supernova型X-射线单晶衍射仪，使用经过石墨单色化的Mo-Kα射线为入射辐射源，以ω-φ扫描方式收集衍射点，经过最小二乘法修正得到晶胞参数，从差值Fourier电子密度图利用SHELXL-97直接法解得晶体结构，并经Lorentz和极化效应修正。所有的H原子由差值Fourier合成并由理想位置计算确定。溶剂分子准确的数量由热重和元素分析测试确定，详细的晶体测定数据见表1。
表1铕金属有机框架的晶体学数据
图1是本实施例稀土金属有机框架材料的单胞图，从图中可以看出：其基本单元中存在两种配位环境的铕离子，三个半脱氢配体FDA2-，一个配位的DMF分子和四分之一个游离的DMF分子和一个二甲胺阳离子；来源于DMF分子分解的二甲胺阳离子作为一种抗衡阳离子，从而维持了整个框架材料的电荷中性；其中一个铕离子采取变形的十二面体的配位模式，分别与来自七个脱氢配体FDA2-中的八个氧原子进行配位，另一个铕离子也采取同样的配位模式，分别与来自六个脱氢配体FDA2-中的七个氧原子和一个来自于DMF中的氧原子进行配位。
图2是本实施例稀土金属有机框架材料的三维结构图，式中n为1到正无穷的自然数，表明该材料为聚合物。
图3是本实施例稀土金属有机框架材料的拓扑结构图。
(2)本实施例稀土金属有机框架材料的化学稳定性测试：
为了验证材料在水中和常见溶剂中的稳定性，将合成的材料浸泡在水中和常见溶剂中，并对其进行粉末衍射测试。如图4所示：该材料浸泡在水中和常见溶剂后的粉末衍射峰与模拟的粉末衍射峰相吻合，说明材料具有很好的水稳定性和溶剂稳定性。
为了验证材料在重铬酸根和铬酸根溶液中的结构是否发生变化，将合成的材料浸泡在重铬酸根和铬酸根溶液中，并对其进行粉末衍射测试。如图5所示：该材料浸泡在重铬酸根和铬酸根溶液后的粉末衍射峰与模拟的粉末衍射峰相吻合，说明材料在重铬酸根和铬酸根溶液中仍能保持结构不变。
(3)本实施例稀土金属有机框架材料荧光性质表征：
图6是本实施例稀土金属有机框架材料在不同阴离子水溶液中的荧光光谱，图中表明：铬酸根离子和重铬酸根离子对该稀土金属有机框架材料的荧光荧光强度很明显的淬灭效果，而其它阴离子对该稀土金属有机框架材料荧光强度几乎无影响。
图7a为向稀土金属有机框架材料的水溶液中滴加不同含量的重铬酸根离子的荧光强度变化图。从图7a中可以看出：当向稀土金属有机框架材料的水溶液中逐渐加入重铬酸根离子时，其荧光强度随着重铬酸根离子的量的增加呈现出先快后逐渐减慢的下降趋势，并且变化明显，最终发生荧光淬灭，说明了该稀土金属有机框架材料对重铬酸根离子具有很好的荧光响应，可用作重铬酸根离子荧光探针，其检出线为1.14×10-4mol·L-1。
图7b为向稀土金属有机框架材料的水溶液中滴加不同含量的铬酸根离子的荧光强度变化图。从图7b中可以看出：当向稀土金属有机框架材料的水溶液中逐渐加入铬酸根离子时，其荧光强度也随着铬酸根离子的量的增加呈现出先快后逐渐减慢的下降趋势，并且变化明显，最终发生荧光淬灭，说明了该稀土金属有机框架材料对铬酸根离子也具有很好的荧光响应，可用作铬酸根离子荧光探针，其检出线为1.12×10-4mol·L-1。

Claims (5)

1.一种稀土金属有机框架材料，其特征在于：所述框架材料的化学式为：{[(CH3)2NH2][Eu4(FDA)7(DMF)2·0.5DMF]}n，
式中：n为1到正无穷的自然数；FDA为2,5-呋喃二羧酸脱质子所得；DMF为N，N-二甲基甲酰胺；
所述框架材料属于单斜晶系，空间群为P21/n，晶胞参数为： α＝90°，β＝103.8210(10)°，γ＝90°；
所述框架材料的基本结构单元中存在两种配位环境的铕离子，三个半脱氢配体FDA2-，一个配位的DMF分子和四分之一个游离的DMF分子和一个二甲胺阳离子；来源于DMF分子分解的二甲胺阳离子作为一种抗衡阳离子，从而维持了整个框架材料的电荷中性；其中一个铕离子采取变形的十二面体的配位模式，分别与来自七个脱氢配体FDA2-中的八个氧原子进行配位，另一个铕离子也采取同样的配位模式，分别与来自六个脱氢配体FDA2-中的七个氧原子和一个来自于DMF中的氧原子进行配位；相邻的铕离子通过脱氢配体FDA2-的羧酸根形成一维结构的铕链；一维铕链之间进一步通过脱氢配体FDA2-连接，从而在空间上形成三维的网络结构；所述材料具有的孔洞，约占整体材料的19.3％；
所述框架材料可以简化为12-连接的单节点sqc15拓扑，其点符号为(318·442·56)。
2.一种稀土金属有机框架材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下合成步骤：
(1)分别将有机配体H2FDA和4,4'-联苯二甲酸溶解到N，N-二甲基甲酰胺溶剂中；
(2)将Eu(NO3)3·6H2O溶解到含硝酸的N，N-二甲基甲酰胺溶剂中；
(3)将步骤(1)和(2)中的两种溶液混合，然后放入密闭的水热反应釜中，在160℃恒温反应72h，取出产物后将固体分离；
(4)用N，N-二甲基甲酰胺将上述固体洗涤多次，即可制得无色块状晶体。
3.根据权利要求2所述的一种稀土金属有机框架材料的制备方法，其特征在于，所述H2FDA的N，N-二甲基甲酰胺浓度为0.05-0.5mmol/L；所述4,4'-联苯二甲酸的N，N-二甲基甲酰胺溶液浓度为0.05-0.5mmol/L；所述Eu(NO3)3·6H2O的含硝酸的N，N-二甲基甲酰胺溶液浓度为0.05-0.5mmol/L，硝酸与N，N-二甲基甲酰胺的体积比为1:5。
4.根据权利要求1所述的一种稀土金属有机框架材料，其特征在于，所述框架材料具有良好的化学稳定性，在水及常见溶剂中能稳定存在；所述常见溶剂包括甲醇，乙醇，N，N-二甲基甲酰胺，N，N-二甲基乙酰胺，乙腈，1,4-二氧六环和乙二醇。
5.根据权利要求1所述的一种稀土金属有机框架材料的应用，其特征在于，所述框架材料能通过荧光淬灭效应来检测水中六价铬离子的存在，其检出线分别为1.14×10-4mol·L-1(Cr2O7 2-)and 1.12×10-4mol·L-1(CrO4 2-)，所述框架材料能应用于六价铬离子荧光探针领域。
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