CN110183673A - 一种以NH3辅助配位的室温下快速合成Cu(INA)2的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及MOFs的制备领域，具体是一种以NH3辅助配位的在室温下快速合成Cu(INA)2的方法，该方法适用于大批量生产。包括以下步骤：室温条件下，采用氨水滴加至过饱和的异烟酸溶液中，后续加入硝酸铜溶液，产物在3～10分钟即可生成，随后脱除水分子，即可获得Cu(INA)2。在本发明中，用NH3能够加速配体（异烟酸）在水中的溶解度，形成的配位环境促使金属粒子与配体快速配位，形成的产物带有配位水分子，随后脱出水分子即可获得对应的产品。而且，本发明不需要高温、高压、有机溶剂参与合成，并且反应温度低，且反应时间短，操作简单。

Description

一种以NH3辅助配位的室温下快速合成Cu(INA)2的方法
技术领域
本发明涉及MOFs的制备领域，具体是一种以NH3辅助配位的在室温下快速合成Cu(INA)2的方法，该方法适用于大批量生产。
背景技术
近年来，MOFs材料由于具有大的比表面积、均一的孔径、多样可调变甚至可柔性变化的结构等优异性能而受到科研工作者的高度关注，并且其在催化、气体吸附分离、分子识别、离子交换、光电磁等领域有潜在应用。大量MOFs的性质和可能的应用都被科研工作者们不断挖掘，但是MOFs从合成制备到应用维护的高成本往往会限制MOFs的工业化应用。所以采用廉价的原材料，利用简单低耗能的制备技术是MOFs能工业化应用的前提。
Cu(INA)2是由铜（Cu2+）金属离子与异烟酸配体（Isonicotinic acid, HINA）配位形成的三维MOFs结构，其最早由Jack Y. Lu在2002报道。Cu(INA)2具有一维菱形的直孔道，孔道的大小为s=4.990 Å，l=4.525 Å，这种均一孔大小，具有较大的比表面积和空隙，所以在前期的研究中发现，其在CH4/CO2/N2等气体吸附分离中都有较好的优势。另外，铜金属节点具有在水或者氨环境下发生配位吸附与取代，从而实现结构的转化，因此这种柔性特性也使得Cu(INA)2在NH3吸附捕获中具有较大前景。可以说，Cu(INA)2的配体源异烟酸廉价，并且在CH4/CO2/N2分离以及NH3的吸附捕获中具有较大的应用前景。但是Cu(INA)2的制备过程还是需要80℃的高温反应24小时，并且仍需要乙醇作溶剂。所以，为了减少大规模制备Cu(INA)2的高成本与耗时，简单、快速、廉价的制备技术亟需开发。
发明内容
本发明旨提供一种以NH3作为配位辅助剂在室温下快速大批量合成MOFs Cu(INA)2的方法。
在常规MOFs溶剂热合成法中，通常需要一定的有机溶剂（甲醇、乙醇、乙腈、DMF、乙二醇等）溶解配体反应物，并在较高温度（80-180 ℃）及较长耗时下（1天-7天）金属与配体相互自组装形成MOFs晶体结构。为MOFs的高效低成本的合成，以至于推进其在实际工业中应用，绿色高效的合成技术需要开发。在Cu(INA)2的合成中，由于异烟酸难溶于水，在传统水热法中，异烟酸即使在高温条件下溶解度也有限，所以，采用常规的溶剂热方法合成时，反应结晶较慢。我们通过反应条件探究发现，在合成前期，通过在异烟酸水溶液中加入氨水，不仅能加快异烟酸在水中的溶解，还可起加速反应的作用，促进铜离子与配体及水分子配位，在室温条件下数分钟内获得大批量的含结晶水产物，通过脱水后即可得到Cu(INA)2产品。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种以NH3辅助配位的在室温下快速合成Cu(INA)2的方法，包括以下步骤：室温条件下，采用氨水滴加至过饱和的异烟酸溶液中，后续加入硝酸铜溶液，产物在3～10分钟即可生成（此时获得的是Cu(INA)2(H2O)4），随后脱除水分子，即可获得Cu(INA)2。
在本发明中，用NH3能够加速配体（异烟酸）在水中的溶解度，形成的配位环境促使金属粒子与配体快速配位，形成的产物带有配位水分子，随后脱出水分子即可获得对应的产品。而且，本发明不需要高温、高压、有机溶剂参与合成，并且反应温度低，且反应时间短，操作简单。
作为本发明技术方案的进一步改进，氨水滴加至过饱和的异烟酸溶液中时，边滴加边震荡，直至异烟酸恰好完全溶解，停止滴加。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述氨水的浓度为为25wt%。
作为本发明技术方案的进一步改进，所述异烟酸替换为烟酸或对苯二甲酸，所述硝酸铜替换为硝酸锌、硝酸镍或硝酸钴。采用异烟酸能够获得异烟酸类MOFs材料，将异烟酸替换为盐酸或对苯二甲酸之后能够获得烟酸类MOFs材料、对苯二甲酸类MOFs材料等。
本发明所述的方法，在室温下，采用NH3促进配体在水中溶解，加入金属盐溶液后，可快速得到有水配位的产物，活化脱水后即可得到Cu(INA)2产品。此制备方法，通过NH3的辅助作用，使反应不需要有机溶剂和高温，即可短时间内得到克级产品，是一种高效绿色的制备MOFs技术。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为通过实施例获得的Cu(INA)2的电子云密度等位面及孔道大小分布图，图中s=4.990 Å，l=4.525Å。由于其有较大的一维直孔道，Cu(INA)2在多种气体吸附应用中具有前景。
图2是通过实施例获得的Cu(INA)2的合成及脱水过程的XRD图与模拟图对比图。从对比的特征峰能够看出，通过NH3辅助合成法得到了Cu(INA)2含配位水的产物，并经过脱水，即可得到Cu(INA)2产品。
图3是通过对比例1和2合成产品的PXRD图。合成的图谱与模拟图谱有明显不同，方框中的对应峰有差别，而且伴有杂质。
图4为通过实施例获得的Cu(INA)2结晶水产物的同步热分析仪曲线图。通过曲线可以分析结构中的水分子可在120-150 ℃的温度区间脱除，即可得到Cu(INA)2。并且可以看出得到的Cu(INA)2的热稳定性较好，能稳定到300 ℃。
图5为通过实施例获得的Cu(INA)2的合成及脱水后的扫描电镜图。图中可以看出，合成及脱水后的晶体完整性良好。
图6是通过实施例获得的Cu(INA)2的低温氮吸附曲线图。由图可以看出Cu(INA)2具有68 cc/g的低温N2吸附量，对应的BET比表面积为164 m2/g，可用于气体的吸附分离。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
化学物质材料：异烟酸、三水硝酸铜、25wt%氨水溶液、NaOH、蒸馏水。
实施例
采用NH3辅助添加，在室温短时间内快速合成Cu(INA)2的方法，其步骤为：
①称取1.23g异烟酸于20mL小瓶中，加入15ml蒸馏水，混合成为异烟酸的过饱溶液。
②在上述溶液中缓慢滴加25%的氨水溶液，滴加过程保证充分的混合，在异烟酸在水中恰好完成溶解时为止。
③另外取1.22g三水硝酸铜溶解于5ml蒸馏水中，制成均匀的硝酸铜溶液。
④把溶液③快速地倒入溶液②中，充分搅拌混合，5分钟内得到含水蓝色产物。
⑤得到的蓝色产物过滤，用蒸馏水洗涤三次。
⑥把过滤得到的产物置于150 ℃下活化脱水，即可得到1.36g的Cu(INA)2，产率可达到88.5%。
对比例1
对比上述实施例，换用NaOH为添加剂对比，其步骤为：
①称取1.23g异烟酸于20mL小瓶中，加入15ml蒸馏水，混合成为异烟酸的过饱溶液。
②在上述溶液中缓慢加入固体NaOH，加入过程保证充分的混合，在异烟酸在水中恰好完成溶解时为止。
③另外取1.22g三水硝酸铜溶解于5ml蒸馏水中，制成均匀的硝酸铜溶液。
④把溶液③快速地倒入溶液②中，充分搅拌混合，10分钟内得到含水蓝色产物。
⑤得到的蓝色产物过滤，用蒸馏水洗涤三次。称量含结晶水产物0.959 g，产率45%。
对比例2
对比上述实施例，调节NaOH添加量作为对比，其步骤为：
①称取1.23g异烟酸于20mL小瓶中，加入15ml蒸馏水，混合成为异烟酸的过饱溶液。
②在上述溶液中缓慢加入稍过量固体NaOH（添加量大于对比例1），加入过程保证充分的混合。
③另外取1.22g三水硝酸铜溶解于5ml蒸馏水中，制成均匀的硝酸铜溶液。
④把溶液③快速地倒入溶液②中，充分搅拌混合，5分钟内得到含水蓝色产物。
⑤得到的蓝色产物过滤，用蒸馏水洗涤三次。
由实施例和对比例对比可以看出：
在NaOH作为添加剂时，受到环境湿度、NaOH纯度、添加量的影响，难以控制反应进行。并且反应对比例1得到的产物结晶度不高，产率下降，有多处峰型对应不上，并且有杂质生成，另外，对比例2的添加量严重影响产物的生成，稍过量就难以得到产品。所以NaOH较难控制添加量，生成的含水产物结晶度不高，伴有杂质，产率下降，难以控制含水产物的大批量合成。而采用NH3辅助配位合成，具有反应易控制，产物结晶度高，产量以及产率高的优势。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种以NH3辅助配位的在室温下快速合成Cu(INA)2的方法，其特征在于，包括以下步骤：室温条件下，采用氨水滴加至过饱和的异烟酸溶液中，后续加入硝酸铜溶液，产物在3～10分钟即可生成，随后脱除水分子，即可获得Cu(INA)2。
2.根据权利要求1所述的一种以NH3辅助配位的在室温下快速合成Cu(INA)2的方法，其特征在于，氨水滴加至过饱和的异烟酸溶液中时，边滴加边震荡，直至异烟酸恰好完全溶解，停止滴加。
3.根据权利要求1或2所述的一种以NH3辅助配位的在室温下快速合成Cu(INA)2的方法，其特征在于，所述氨水的浓度为为25wt%。
4.根据权利要求1或2所述的一种以NH3辅助配位的在室温下快速合成Cu(INA)2的方法，其特征在于，所述异烟酸替换为烟酸或对苯二甲酸，所述硝酸铜替换为硝酸锌、硝酸镍或硝酸钴。
5.根据权利要求3所述的一种以NH3辅助配位的在室温下快速合成Cu(INA)2的方法，其特征在于，所述异烟酸替换为烟酸或对苯二甲酸，所述硝酸铜替换为硝酸锌、硝酸镍或硝酸钴。
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