CN115722212A - 一种磁性金属-有机骨架材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁性金属‑有机骨架材料及其制备方法和应用,具体操作方法如下:室温下,将Cu(NO3)2·3H2O与均苯三甲酸分别溶于由去离子水、无水乙醇、二甲基甲酰胺组成的混合溶液中,超声溶解,将2份溶液混合,搅拌混匀,混合溶液中加入纳米γ‑Fe2O3,搅拌分散,边搅拌边在水浴加热下反应,反应结束后停止搅拌,静置冷却后,磁吸收集固体产品,用无水乙醇在索氏提取器中对收集的固体进行清洗,干燥后得到产物,记为Cu‑BTC@γ‑Fe2O3。本发明将磁性材料与金属有机骨架材料Cu‑BTC结合,通过控制反应温度和搅拌速度使γ‑Fe2O3表面均匀生长上MOFs壳层,本方法所合成的材料对DBT的吸附量能达到46.4mgS/gMOF,同时具有较高的材料回收率。
Description
技术领域
本发明属于吸附材料制备技术领域,具体涉及一种磁性金属-有机骨架材料及其制备方法和应用。
背景技术
金属-有机骨架材料(Metal-Organic frameworks,MOFs)作为一种新型的多孔配位聚合物材料,近些年被材料领域的研究者们广泛关注和研究。MOFs是由金属离子或团簇与有机配体通过配位键组装而形成的。元素周期表中近百种金属元素,除了锕系,几乎都可以通过选择合适的有机配体而进一步形成MOFs材料。因而,MOFs具有种类丰富、结构多样等特点。通过选用不同的配位单元,可以形成具有不同配位结构和表面物理化学性质,因此MOFs材料具有结构多样性和可设计性的特点。另外,因为有机配体可以携带各种功能基团,因此MOFs材料具有很高的可修饰性,能够通过合理的设计满足多种实际需求。
现如今,MOFs材料因为其优异的性能在吸附、分离、催化、传感等领域受到了广泛的应用和研究。受到此启发,在燃油脱硫领域MOFs材料也受到了极大的关注。燃油中较难去除的主要是噻吩类硫化物,如噻吩(TP)、苯并噻吩(BT)、二苯并噻吩(DBT)和4,6-二甲基二苯并噻吩(4,6-DMDBT)。目前,工业上脱硫方法主要是加氢脱硫法,另外还有氧化脱硫、生物脱硫、吸附脱硫和萃取脱硫。而这其中最经济、最有潜力的当属于吸附脱硫。而MOFs材料由于其优异的物理化学性质,高比表面积,可调孔结构及可修饰性能,因此在吸附脱硫上面具有极高的应用潜力,因此被广泛研究。
但是,MOFs材料在应用上也存在一些缺点,其中之一便是由于MOFs材料的微小的晶体粉末结构而不易于回收再利用。因此,对MOFs材料进行固定化或制作成复合材料使其能够方便回收是极有意义的。而对MOFs进行磁改性,制作成具有磁性的MOFs复合材料,使得MOFs材料能够很容易的通过磁吸收集,这是很有应用潜力的方向。但目前的一些合成MOFs的方案具有产量不高或者MOFs包覆的不够均匀,有些磁性微球未被包覆等缺点。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明的目的在于提供一种磁性金属-有机骨架材料及其制备方法和应用。
具体技术方案如下:
一种磁性金属-有机骨架材料的制备方法,包括如下步骤:
1) 室温下,将Cu(NO3)2·3H2O与均苯三甲酸分别溶于由去离子水、无水乙醇、二甲基甲酰胺组成的混合溶液中,超声使固体完全溶解,将2份溶液混合,搅拌混匀;
2)在步骤1)的混合溶液中加入纳米γ-Fe2O3,继续搅拌使γ-Fe2O3分散在溶液中,边搅拌边在水浴加热下反应,反应结束后停止搅拌,静置冷却后,磁吸收集固体产品;
3)用无水乙醇在索氏提取器中对收集的固体进行清洗,干燥后得到产物,记为Cu-BTC@γ-Fe2O3。
进一步地,去离子水、无水乙醇、二甲基甲酰胺组成的混合溶液中去离子水、无水乙醇、二甲基甲酰胺的体积比为1:1:1。
进一步地,未混合前Cu(NO3)2·3H2O在去离子水、无水乙醇、二甲基甲酰胺组成的混合溶液中的浓度为0.3-0.35mol/L,均苯三甲酸在去离子水、无水乙醇、二甲基甲酰胺组成的混合溶液中的浓度为0.15-0.2mol/L。
进一步地,步骤1)中纳米γ-Fe2O3的质量用量以Cu(NO3)2·3H2O质量记为0.1-0.15g/g。
进一步地,搅拌的速度均为600-650r/min。
进一步地,步骤2)中水浴加热的温度为80-85℃,反应时间为6-8h。
进一步地,步骤3)中清洗时间为10-20h。
一种上述制备方法制备得到的磁性金属-有机骨架材料。
一种磁性金属-有机骨架材料在吸附脱硫中的应用,具体方法为:将磁性金属-有机骨架材料活化后,放入燃油中,室温下震荡吸附二苯并噻吩,磁分离回收磁性金属-有机骨架材料。
本发明的有益效果在于:
本发明将磁性材料(γ-Fe2O3)与金属有机骨架材料Cu-BTC结合,既保留了Cu-BTC能够吸附DBT的性能,又通过结合γ-Fe2O3的磁性能够快速回收材料;通过控制反应温度和搅拌速度使γ-Fe2O3表面均匀生长上MOFs壳层,本方法所合成的材料对DBT的吸附量能达到46.4mgS/gMOF,同时具有较高的材料回收率。
附图说明
图1为实施例1制备的Cu-BTC@Fe2O3透射电子显微镜(TEM)图;
图2为实施例2制备的Cu-BTC@Fe2O3透射电子显微镜(TEM)图;
图3为实施例3制备的Cu-BTC@Fe2O3透射电子显微镜(TEM)图;
图4为实施例4制备的Cu-BTC@Fe2O3透射电子显微镜(TEM)图;
图5为实施例1制备的Cu-BTC@Fe2O3等温吸附曲线图;
图6为实施例2制备的Cu-BTC@Fe2O3等温吸附曲线图;
图7为实施例3制备的Cu-BTC@Fe2O3等温吸附曲线图;
图8为实施例4制备的Cu-BTC@Fe2O3等温吸附曲线图;
图9为实施例5制备的Cu-BTC等温吸附曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步地描述,但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
将17ml无水乙醇,17ml去离子水和17ml的二甲基甲酰胺混合得到均一溶液,将溶液等分成2份,分别加入2g Cu(NO3)2·3H2O和1g均苯三甲酸超声溶解,之后将2份溶液混合,之后加入0.2g γ-Fe2O3超声搅拌15min使γ-Fe2O3均匀分散,随后将混合液置于烧瓶中在85℃水浴下以650r/min搅拌反应6h;待反应完成且冷却后磁吸收集得到固体样品,在索氏提取器中用无水乙醇清洗20h,并在60℃烘箱中烘8h干燥得到Cu-BTC@γ-Fe2O3,透射电子显微镜(TEM)图见图1所示,中间黑色部分是γ-Fe2O3纳米磁性颗粒,周边颜色浅的区域即Cu-BTC壳层。
实施例2
将17ml无水乙醇,17ml去离子水和17ml的二甲基甲酰胺混合得到均一溶液,将溶液等分成2份,分别加入2g Cu(NO3)2·3H2O和1g均苯三甲酸超声溶解,之后将2份溶液混合,之后加入0.3g γ-Fe2O3超声搅拌15min使γ-Fe2O3均匀分散,随后将混合液置于烧瓶中在85℃水浴下以650r/min搅拌反应6h;待反应完成且冷却后磁吸收集固体样品,在索氏提取器中用无水乙醇清洗20h,并在60℃烘箱中烘8h干燥得到Cu-BTC@γ-Fe2O3,透射电子显微镜(TEM)图见图2所示,中间黑色部分是γ-Fe2O3纳米磁性颗粒,周边颜色浅的区域即Cu-BTC壳层。
实施例3
将17ml无水乙醇,17ml去离子水和17ml的二甲基甲酰胺混合得到均一溶液,将溶液等分成2份,分别加入2g Cu(NO3)2·3H2O和1g均苯三甲酸超声溶解,之后将2份溶液混合,之后加入0.5g γ-Fe2O3超声搅拌15min使γ-Fe2O3均匀分散,随后将混合液置于烧瓶中在85℃水浴下以650r/min搅拌反应6h;待反应完成且冷却后磁吸收集固体样品,;在索氏提取器中用无水乙醇清洗20h,并在60℃烘箱中烘8h干燥得到Cu-BTC@γ-Fe2O3,透射电子显微镜(TEM)图见图3所示,中间黑色部分是γ-Fe2O3纳米磁性颗粒,周边颜色浅的区域即Cu-BTC壳层。
实施例4
将17ml无水乙醇,17ml去离子水和17ml的二甲基甲酰胺混合得到均一溶液,将溶液等分成2份,分别加入2g Cu(NO3)2·3H2O和1g均苯三甲酸超声溶解,之后将2份溶液混合,之后加入1.0g γ-Fe2O3超声搅拌15min使γ-Fe2O3均匀分散,随后将混合液置于烧瓶中在85℃水浴下以650r/min搅拌反应6h;待反应完成且冷却后磁吸收集固体样品,在索氏提取器中用无水乙醇清洗20h,并在60℃烘箱中烘8h干燥得到Cu-BTC@γ-Fe2O3,透射电子显微镜(TEM)图见图4所示,中间黑色部分是γ-Fe2O3纳米磁性颗粒,周边颜色浅的区域即Cu-BTC壳层。
实施例5
将17ml无水乙醇,17ml去离子水和17ml的二甲基甲酰胺混合得到均一溶液,将溶液等分成2份,分别加入2g Cu(NO3)2·3H2O和1g均苯三甲酸超声溶解,之后将2份溶液混合,随后将混合液置于烧瓶中在85℃水浴下以650r/min搅拌反应6h;待反应完成且冷却后过滤收集固体样品,在索氏提取器中用无水乙醇清洗20h,并在60℃烘箱中烘8h干燥得到Cu-BTC。
实施例6:吸附模拟燃油中二苯并噻吩(DBT)测试
(1)以正辛烷为溶剂,以DBT为溶质分别配制100、200、500、750、1000、1300、1500mgS/L的模拟油,DBT浓度以硫(S)含量计;
(2)分别取实施例1制备的Cu-BTC@γ-Fe2O3磁性核壳材料7份,每份12mg,分别放入到7个小样品瓶中,在150℃条件下真空活化4h,获得活化后的Cu-BTC@γ-Fe2O3磁性核壳材料9.5mg,再向小样品瓶中加入步骤(1)100、200、500、750、1000、1300、1500mgS/L模拟油各1.2g;
(3)将样品瓶密封固定在恒温摇床中,在30℃下,以160r/min的转速摇震7h,使材料吸附饱和,之后用磁铁吸引回收材料,脱附干燥后平均每个小瓶材料的回收量为8.7mg,回收率为91.6%,用针筒过滤器过滤出模拟油,用气相检测仪测定吸附后的模拟油中DBT浓度,并通过公式(1)计算饱和吸附量。结果见图5所示,在此条件下材料最大的吸附量能达到46.4mgS/gMOF。
Q——饱和吸附量,mgS/g吸附剂;
C0——初始模拟油浓度,mgS/L;
Ce——吸附后的模拟油浓度,mgS/L;
V——模拟油体积,ml;
m剂——吸附剂质量,g。
同样方法,取相同量的实施例2-5所制备的材料测试吸附性能。其中实施例2制备的Cu-BTC@γ-Fe2O3磁性核壳材料吸附性能见图6所示,吸附量能达到42.5mgS/gMOF,脱附干燥后平均每个小瓶材料的回收量为9.1mg,回收率为95.8%;实施例3制备的Cu-BTC@γ-Fe2O3磁性核壳材料吸附性能见图7所示,吸附量能达到29.7mgS/gMOF,脱附干燥后平均每个小瓶材料的回收量为9.1mg,回收率为95.8%。实施例4制备的Cu-BTC@γ-Fe2O3磁性核壳材料吸附性能见图8所示,吸附量能达到18.0mgS/gMOF,脱附干燥后平均每个小瓶材料的回收量为9.2mg,回收率为96.8%。实施例5制备的Cu-BTC材料吸附性能见图9所示,吸附量能达到48.8mgS/gMOF,脱附干燥后平均每个小瓶材料的回收量为6.9mg,回收率为72.6%。γ-Fe2O3的添加量以Cu(NO3)2·3H2O质量记为0.1-0.15g/g时,能够在保证有较高的吸附量的同时,也有较高的材料回收率。
Claims (9)
1.一种磁性金属-有机骨架材料的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
1)室温下,将Cu(NO3)2·3H2O与均苯三甲酸分别溶于由去离子水、无水乙醇、二甲基甲酰胺组成的混合溶液中,超声使固体完全溶解,将2份溶液混合,搅拌混匀;
2)在步骤1)的混合溶液中加入纳米γ-Fe2O3,继续搅拌使γ-Fe2O3分散在溶液中,边搅拌边在水浴加热下反应,反应结束后停止搅拌,静置冷却后,磁吸收集固体产品;
3)用无水乙醇在索氏提取器中对收集的固体进行清洗,干燥后得到产物,记为Cu-BTC@γ-Fe2O3。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于去离子水、无水乙醇、二甲基甲酰胺组成的混合溶液中去离子水、无水乙醇、二甲基甲酰胺的体积比为1:1:1。
3.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于未混合前Cu(NO3)2·3H2O在去离子水、无水乙醇、二甲基甲酰胺组成的混合溶液中的浓度为0.3-0.35mol/L,均苯三甲酸在去离子水、无水乙醇、二甲基甲酰胺组成的混合溶液中的浓度为0.15-0.2mol/L。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于步骤1)中纳米γ-Fe2O3的质量用量以Cu(NO3)2·3H2O质量记为0.1-0.15g/g。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于搅拌的速度均为600-650r/min。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于步骤2)中水浴加热的温度为80-85℃,反应时间为6-8h。
7.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于步骤3)中清洗时间为10-20h。
8.一种如权利要求1-7任一所述的制备方法制备得到的磁性金属-有机骨架材料。
9.一种如权利要求8所述的磁性金属-有机骨架材料在吸附脱硫中的应用,其特征在于具体方法为:将磁性金属-有机骨架材料活化后,放入燃油中,室温下震荡吸附二苯并噻吩,磁分离回收磁性金属-有机骨架材料。
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