CN116063691A - 一种钴过渡金属配位聚合物及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钴过渡金属配位聚合物及其制备方法与应用,所述钴过渡金属配位聚合物的化学式为[Co(bip)2(H2O)]n·2n(ClO4),所述bip为3,5‑双(1‑苯并咪唑基)吡啶,所述配位聚合物的对称单元由4个3,5‑双(1‑苯并咪唑基)吡啶配体、2个配位水分子和2个游离高氯酸根离子组成,n表示聚合度,取自然数,所述钴过渡金属配位聚合物属于单斜晶系P21/n空间群,本发明公开的钴过渡金属配位聚合物及其制备方法与应用具有可以作为光催化剂使用,且在300℃以内可以维持稳定,具有良好的光催化性能,可以作为潜在的光催化剂催化降解水中有机污染物的效果。
Description
技术领域
本发明涉及金属-有机骨架材料光催化剂技术领域,尤其涉及一种钴过渡金属配位聚合物及其制备方法与应用。
背景技术
染料废水具有色度高、有机污染物含量高、水质变化大且成分复杂等特点,废水中有机染料不仅会使水体色度加深,而且会阻挡阳光在水体中的传播和消耗溶解氧,影响水生生物的生长,并且大多有机染料大分子对人体或生物有害。所含的染料大部分是难降解的有机物且具有毒性、致癌性和致突变性,若未经适当处理进入环境将对人类健康和生态环境造成严重影响。
为了解决这个问题,从环境条件和成本效益的角度来看,光催化技术用于去除染料污染物的废水排放,那么选用合适的光催化材料成了一个研究热点,如何选用合适的光催化材料成了我们需要考虑的问题。
发明内容
本发明公开一种钴过渡金属配位聚合物及其制备方法与应用,旨在解决如何选用合适的光催化材料用于去除染料污染物的废水排放的技术问题。
为了实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:
一种钴过渡金属配位聚合物,所述钴过渡金属配位聚合物的化学式为[Co(bip)2(H2O)]n·2n(ClO4),所述bip为3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶,所述配位聚合物的对称单元由4个3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶配体、2个配位水分子和2个游离高氯酸根离子组成,n表示聚合度,取自然数。
通过利用MOFs材料,其中MOFs材料为配位聚合物材料,具有独特的孔道结构和大的比表面积有助于增强光催化反应活性,光催化反应过程中水分子可以“充满”整个骨架之中,从而缩短载流子的空间运输距离,此外,较大的比表面积使其容易与其他化合物复合,有利于光生电子-空穴对的分离和转移,基于不同中心金属结点、有机桥连配体的丰富性,合成的可控性以及与其他半导体材料进行有效地复合可有效地调控MOFs对光能的利用效率,进而调节并提高对有机污染物的降解能力,同时MOFs在光照下表现出半导体性质,而它们与传统的无机半导体相比,MOFs具有开放的金属位点、不饱和的金属中心,甚至具有催化活性的有机连接体等独特的优点,这意味着它们可以被用作光催化剂,用于光催化降解染料废水,通过充分利用MOFs材料,通过金属配位聚合物的化学式:
[Co(bip)2(H2O)]n·2n(ClO4)制备钴过渡金属配位聚合物,使钴过渡金属配位聚合物使用过程中,在300℃以内可以维持稳定,具有优异的催化效果。
在一个优选的方案中,所述钴过渡金属配位聚合物属于单斜晶系P21/n空间群,晶胞参数为: α=90°,β=97.288°,γ=90°;所述钴过渡金属配位聚合物的结构式中,Co1离子与四个含氮bip配体中的氮原子和两个配位水分子中的氧原子形成六配位的八面体构型,两个不同所述含氮bip配体中的四个氮原子分别为N1、N1'、N5和N5',所述两个配位水分子中的两个氧原子为O5和O5';所述八面体构型的N1、N1'、O5和O5'占据八面体构型的四个赤道顶点,N5和N5'占据所述变形八面体构型的两个顶点位置,所述变形八面体构型中的Co-N的键长为2.1395(27)和Co-O的键长为O-Co-N和N-Co-N的键角分别为87.77(9)~92.23(9)°和87.64(9)~180°,O-Co-O的键角为180°;所述钴过渡金属配位聚合物中,3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)与Co2+配位,水分子与金属Co2+离子配位,相邻的所述Co2+通过3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)的N1和N1'连接形成1D链状结构,再通过另外一个方向3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)配体的N5和N5'连接构筑成二维网络结构,所述二维网络结构通过氢键类弱相互作用力(如:O-H…O、O-H…N和C-H…O)拓展为三维网络结构;所述弱相互作用力为O-H…O、O-H…N及C-H…O中的至少一种;
一种钴过渡金属配位聚合物的制备方法,应用于权利要求1的一种钴过渡金属配位聚合物,包括以下具体步骤:
S1:将3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)和Co(ClO4)2·6H2O共溶于水和DMF(N,N-二甲基甲酰胺)的混合溶液中;
S2:室温下密封搅拌25-35min;
S3:将聚四氟乙烯反应釜转移到不锈钢容器中,加热至120℃保温72h;
S4:以5℃/h的速度冷却至室温,得到黑色晶体;
所述S1,混合溶液制备中水和DMF(N,N-二甲基甲酰胺)的混合溶液中水和DMF的体积比为2:1,且3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)配体和Co(ClO4)2·6H2O的摩尔比为2:3;
一种钴过渡金属配位聚合物的应用,应用于权利要求1的一种钴过渡金属配位聚合物,所述钴过渡金属配位聚合物用于水中催化降解RhB、ACB、MV和MO四种常见有害染料,同时也在光催化降解水中有机污染物中应用。
本发明制备的钴过渡金属配位聚合物可以作为光催化剂,应用于降解水中的有机污染物,可用于水中催化降解RhB、ACB、MV和MO四种常见有害染料,同时也在光催化降解水中有机污染物中应用,其中,对罗丹明B(RhB)的光催化降解率为71.54%,对酸性铬兰(ACB)光催化降解率为40.80%,对甲基紫(MV)的光催化降解率为38.88%,对甲基橙(MO)的光催化降解率为24.82%,催化效果优异,具有良好的应用前景。
由上可知,一种钴过渡金属配位聚合物,所述钴过渡金属配位聚合物的化学式为[Co(bip)2(H2O)]n·2n(ClO4),所述bip为3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶,所述配位聚合物的对称单元由4个3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶配体、2个配位水分子和2个游离高氯酸根离子组成,n表示聚合度,取自然数。本发明提供的钴过渡金属配位聚合物及其制备方法与应用具有可以作为光催化剂使用,且在300℃以内可以维持稳定,具有良好的光催化性能,可以作为潜在的光催化剂催化降解水中有机污染物的技术效果。
附图说明
图1为一种钴过渡金属配位聚合物的不对称环境图;
图2为一种钴过渡金属配位聚合物中的1D链状结构;
图3为一种钴过渡金属配位聚合物中的2D网络结构;
图4为一种钴过渡金属配位聚合物的热重分析图;
图5为一种钴过渡金属配位聚合物的实验测试与计算机模拟的X-粉末衍射图;
图6为一种钴过渡金属配位聚合物的红外光谱图;
图7为一种钴过渡金属配位聚合物对罗丹明B(RhB)光催化紫外光谱;
图8为一种钴过渡金属配位聚合物对酸性铬兰(ACB)光催化紫外光谱;
图9为一种钴过渡金属配位聚合物对甲基紫(MV)光催化紫外光谱;
图10为一种钴过渡金属配位聚合物对甲基橙(MO)光催化紫外光谱;
图11为一种钴过渡金属配位聚合物对不同有机染料(RhB、ACB、MV和MO)的检测结果柱状图;
图12为一种钴过渡金属配位聚合物对不同有机染料(RhB、ACB、MV和MO)的催化降解对比图;
图13为一种钴过渡金属配位聚合物对不同有机染料(RhB、ACB、MV和MO)的催化拟合直线图
图14为一种钴过渡金属配位聚合物对RhB测试了催化机理(H2O、TBA、BQ和AO)的检测结果柱状图;
图15为一种钴过渡金属配位聚合物对不同捕获剂(H2O、TBA、BQ和AO)的催化降解对比图。
图16为一种钴过渡金属配位聚合物对不同有机染料(H2O、TBA、BQ和AO)的催化拟合直线图。
图17为一种钴过渡金属配位聚合物的制备方法的整体流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,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。
本发明公开的一种钴过渡金属配位聚合物及其制备方法与应用主要应用于钴过渡金属配位聚合物的应用的场景。
参照图1,一种钴过渡金属配位聚合物,钴过渡金属配位聚合物的化学式为[Co(bip)2(H2O)]n·2n(ClO4),bip为3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶,配位聚合物的对称单元由4个3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶配体、2个配位水分子和2个游离高氯酸根离子组成,n表示聚合度,取自然数,通过充分利用MOFs材料,通过金属配位聚合物的化学式:[Co(bip)2(H2O)]n·2n(ClO4)制备钴过渡金属配位聚合物,使钴过渡金属配位聚合物使用过程中,在300℃以内可以维持稳定,具有优异的催化效果。
参照图1,在一个优选的实施方式中,钴过渡金属配位聚合物的结构式中,Co1离子与四个含氮bip配体中的氮原子和两个配位水分子中的氧原子形成六配位的八面体构型,两个不同含氮bip配体中的四个氮原子分别为N1、N1'、N5和N5',两个配位水分子中的两个氧原子为O5和O5'。
参照图1,在一个优选的实施方式中,八面体构型的N1、N1'、O5和O5'占据八面体构型的四个赤道顶点,N5和N5'占据变形八面体构型的两个顶点位置,变形八面体构型中的Co-N的键长为2.1395(27)和Co-O的键长为O-Co-N和N-Co-N的键角分别为87.77(9)~92.23(9)°和87.64(9)~180
°,O-Co-O的键角为180°。
参照图1,在一个优选的实施方式中,钴过渡金属配位聚合物中,3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)与Co2+配位,水分子与金属Co2+离子配位,相邻的Co2+通过3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)的N1和N1'连接形成1D链状结构,再通过另外一个方向3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)配体的N5和N5'连接构筑成二维网络结构,二维网络结构通过氢键类弱相互作用力(如:O-H…O、O-H…N和C-H…O)拓展为三维网络结构。
参照图1,在一个优选的实施方式中,弱相互作用力为O-H…O、O-H…N及C-H…O中的至少一种。
参照图17,一种钴过渡金属配位聚合物的制备方法,包括以下具体步骤:
S1:将3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)和Co(ClO4)2·6H2O共溶于水和DMF(N,N-二甲基甲酰胺)的混合溶液中;
S2:室温下密封搅拌25-35min;
S3:将聚四氟乙烯反应釜转移到不锈钢容器中,加热至120℃保温72h;
S4:以5℃/h的速度冷却至室温,得到黑色晶体。
参照图17,在一个优选的实施方式中,S1,混合溶液制备中水和DMF(N,N-二甲基甲酰胺)的混合溶液中水和DMF的体积比为2:1,且3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)配体和Co(ClO4)2·6H2O的摩尔比为2:3。
参照图1,一种钴过渡金属配位聚合物的应用,钴过渡金属配位聚合物用于水中催化降解RhB、ACB、MV和MO四种常见有害染料,同时也在光催化降解水中有机污染物中应用,本发明制备的钴过渡金属配位聚合物可以作为光催化剂,应用于降解水中的有机污染物,可用于水中催化降解RhB、ACB、MV和MO四种常见有害染料,同时也在光催化降解水中有机污染物中应用,其中,对罗丹明B(RhB)的光催化降解率为71.54%,对酸性铬兰(ACB)光催化降解率为40.80%,对甲基紫(MV)的光催化降解率为38.88%,对甲基橙(MO)的光催化降解率为24.82%,催化效果优异,具有良好的应用前景。
实施例1
一种钴过渡金属配位聚合物,其化学式为
[Co(bip)2(H2O)]n·2n(ClO4),该钴过渡金属配位聚合物经过以下步骤制得:
将0.1mol 3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)和0.15mol Co(ClO4)2·6H2O混合均匀,然后与6mL水-DMF混合溶剂混合均匀,水-DMF混合溶剂中水和DMF的体积比为2:3,室温下密封搅拌25~35min,随之将聚四氟乙烯反应釜转移到不锈钢容器中,加热至120℃保温72h,然后以5℃/h的速度冷却至室温,可得黑色晶体。
将制得的钴过渡金属配位聚合物进行表征,得到如下图表1所示的晶体学参数,以及表2和表3所示的部分键长、和键角数据及氢键键长和键角数据。配合物的元素分析理论值C:36.89,H:3.10,N:19.55(来源于CCDC:2219326),实验值C:36.76,H:3.07,N:19.62。
表1配合物的晶体学参数
*R=∑(Fo–Fc)/∑(Fo),**wR2={∑[w(Fo 2–Fc 2)2]/∑(Fo 2)2}1/2.
Symmetry Codes:#1=3/2-x,-1/2+y,3/2-z;#2=2-x,1-y,1-z;#3=1/2+x,3/2-y,-1/2+z。
试验例2
检测实施例1制得的钴金属有机配位聚合物(以下试验均基于实施例1的钴金属有机配位聚合物),其对称环境图如图1所示,其1D链状结构如图2所示,其2D网络结构如图3所示。由图1-3可知,Co1原子与四个含氮bip配体中的氮原子和两个配位水分子中的氧原子形成六配位的八面体构型。
其中两个不同含氮bip配体中的四个氮原子分别为N1、N1'、N5和N5';两个配位水分子中的两个氧原子为O5和O5'。3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶配体(bip)与Co2+配位(μ2-η1:η1),配位水分子与金属Co2+离子配位(μ1-η1)。
Co-N的键长为2.1395(27)和Co-O的键长为O-Co-N和N-Co-N的键角分别为87.77(9)~92.23(9)°和87.64(9)~180°,O-Co-O的键角为180°。相邻的Co2+通过3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)的N(1)连接形成1D链状结构,再通过另外一个方向3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)配体的N(5)连接构筑成二维网络结构。二维网络结构通过其它弱相互作用力(O-H…O和C-H…O)拓展为三维网络结构。
试验例3
钴过渡金属配位聚合物的热重分析。
图4为钴过渡金属配位聚合物的热重分析图,由图4可知,聚合物的热重曲线为:N2条件下对钴过渡金属配位聚合物样品进行热重量分析。钴过渡金属配位聚合物在25-200℃范围内有少量失重,这是配位水分子的重量损失。当温度升高超过300℃时,钴过渡金属配位聚合物中有机配体开始发生分解,分子中的有机配体分子的整体骨架开始出现垮塌,最后分解为金属氧化物。
试验例4
钴过渡金属配位聚合物的实验测试与计算机模拟的X-粉末衍射评价。
图5为本发明的钴过渡金属配位聚合物的实验测试、催化降解RhB后和计算机模拟的X-粉末衍射图,由图5可以看出:通过比较样品的理论模拟粉末XRD图以及催化降解RhB后和实验数据测试图,结果表明在5-50角度范围内(2θ)理论数据图和实验实测图的峰形和位置均一致。同时,与样品的元素分析结果相一致,表明合成配合物的样品为纯相。
试验例5
钴过渡金属配位聚合物的红外光谱测试。
图6为本发明的钴过渡金属配位聚合物的红外光谱图,由图可以看出:在3490cm-1处的吸收峰为配位聚合物中结晶水中O-H的吸收峰,3100cm-1处的峰为3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶中的C-H伸缩振动,1370cm-1处的高强度带的峰为3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶中的C=N双键伸缩振动,C-H面外弯曲振动分别位于814和699cm-1波数附近。1260cm-1-498cm-1众多带为bip配体δ(C=C=C)和δ(C=C=N)的弯曲振动。
试验例6
钴过渡金属配位聚合物的光催化性质。
光催化降解有机染料实验如下:将20mg样品研细加到50mL罗丹明B、酸性铬兰、甲基紫或甲基橙的水溶液中搅拌以达到吸附-解吸平衡。然后将混合溶液放置在紫外Hg灯下搅拌30min,每10min取出3mL的溶液。
选择有机染料罗丹明B、酸性铬兰、甲基紫或甲基橙的水溶液来探索研究钴过渡金属配位聚合物样品的光催化活性。
其中,图7为本发明的钴过渡配位聚合物对罗丹明B(RhB)光催化紫外光谱,图8为本发明的钴过渡金属配位聚合物对酸性铬兰(ACB)光催化紫外光谱,图9为本发明的钴过渡金属配位聚合物对甲基紫(MV)光催化紫外光谱,图10为本发明的钴过渡金属配位聚合物对甲基橙(MO)光催化紫外光谱通过催化降解实验证明,罗丹明B在紫外灯下照射时,罗丹明B的紫外吸收峰随时间的增加缓慢在减弱,说明没有催化剂存在下,罗丹明B自身的光催化降解能力较弱。但是当在配合物催化剂的存在下,RhB、ACB、MV和MO的紫外吸收峰强度随着反应时间的增加而明显降低。
图11为本发明的钴过渡金属配位聚合物对不同有机染料(RhB、ACB、MV和MO)的检测结果柱状图,图12为本发明的钴过渡金属配位聚合物对不同有机染料(RhB、ACB、MV和MO)的催化降解对比图。图13为本发明的钴过渡金属配位聚合物对不同有机染料(RhB、ACB、MV和MO)的催化拟合直线图。根据溶液浓度C/C0计算显示(C为某时的吸收峰强度,C0初始浓度的吸收峰强度),无催化剂条件下RhB的吸附脱色率(降解率)18.91%,金属有机配合物材料的光催化降解率为71.54%;无催化剂条件下ACB的吸附脱色率16.7%,金属有机配合物材料的光催化降解率为40.80%;无催化剂条件下MV的吸附脱色率27.3%,金属有机配合物材料的光催化降解率为38.88%;无催化剂条件下MO的吸附脱色率18.98%,金属有机配合物材料的光催化降解率为24.82%;无催化剂与金属有机配合物光催化剂的有机染料降解对比,有金属有机配合物材料催化剂的光催化性能更好。
测试了钴过渡金属配位聚合物在RhB中的催化机理,向光催化反应体系中分别加入·OH的捕获剂叔丁醇(TBA)、空穴的捕获剂草酸铵(AO)和·O2-的捕获剂苯醌(BQ)。
图14为本发明钴过渡金属配位聚合物对RhB测试了催化机理(H2O、TBA、BQ和AO)的检测结果柱状图,图15为本发明的钴过渡金属配位聚合物对不同捕获剂(H2O、TBA、BQ和AO)的催化降解对比图。图16为本发明的钴过渡金属配位聚合物对不同捕获剂(H2O、TBA、BQ和AO)的催化拟合直线图。根据溶液浓度C/C0计算显示(C为某时的吸收峰强度,C0初始浓度的吸收峰强度),加水的条件下RhB的吸附脱色率(降解率)71.54%,加BQ的条件下RhB的吸附脱色率(降解率)60.77%,加AO的条件下RhB的吸附脱色率(降解率)49.35%。通过在不同捕获剂的存在下数据对比,RhB的光降解作用是由O2-自由基主导的。
综上所述,本发明制备的钴金属有机配合物材料对罗丹明B(RhB)的光催化降解率为71.54%(空白罗丹明B的脱色率为18.91%);对酸性铬兰(ACB)光催化降解率为40.80%(空白ACB的吸附脱色率16.7%);对甲基紫(MV)的光催化降解率为38.88%(空白MV的吸附脱色率27.3%);对甲基橙(MO)的光催化降解率为24.82%(空白MO的吸附脱色率18.98%)。对钴金属有机配合物光催化有机染料降解进行对比,钴金属有机配合物材料催化剂对罗丹明B的光催化性能最好,可以作为潜在的光催化剂催化降解水中有机污染物。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,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,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种钴过渡金属配位聚合物,其特征在于,所述钴过渡金属配位聚合物的化学式为[Co(bip)2(H2O)]n·2n(ClO4),所述bip为3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶,所述配位聚合物的对称单元由4个3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶配体、2个配位水分子和2个游离高氯酸根离子组成,n表示聚合度,取自然数。
3.根据权利要求1所述的一种钴过渡金属配位聚合物,其特征在于,所述钴过渡金属配位聚合物的结构式中,Co1离子与四个含氮bip配体中的氮原子和两个配位水分子中的氧原子形成六配位的八面体构型,两个不同所述含氮bip配体中的四个氮原子分别为N1、N1'、N5和N5',所述两个配位水分子中的两个氧原子为O5和O5'。
5.根据权利要求1所述的一种钴过渡金属配位聚合物,其特征在于,所述钴过渡金属配位聚合物中,3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)与Co2+配位,水分子与金属Co2+离子配位,相邻的所述Co2+通过3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)的N1和N1'连接形成1D链状结构,再通过另外一个方向3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)配体的N5和N5'连接构筑成二维网络结构,所述二维网络结构通过氢键类弱相互作用力拓展为三维网络结构。
6.根据权利要求5所述的一种钴过渡金属配位聚合物,其特征在于,所述弱相互作用力为O-H…O、O-H…N及C-H…O中的至少一种。
7.一种钴过渡金属配位聚合物的制备方法,应用于权利要求1的一种钴过渡金属配位聚合物,其特征在于,包括以下具体步骤:
S1:将3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)和Co(ClO4)2·6H2O共溶于水和DMF(N,N-二甲基甲酰胺)的混合溶液中;
S2:室温下密封搅拌25-35min;
S3:将聚四氟乙烯反应釜转移到不锈钢容器中,加热至120℃保温72h;
S4:以5℃/h的速度冷却至室温,得到黑色晶体。
8.根据权利要求7所述的一种钴过渡金属配位聚合物的制备方法,其特征在于,所述S1,混合溶液制备中水和DMF(N,N-二甲基甲酰胺)的混合溶液中水和DMF的体积比为2:1,且3,5-双(1-苯并咪唑基)吡啶(bip)配体和Co(ClO4)2·6H2O的摩尔比为2:3。
9.一种钴过渡金属配位聚合物的应用,应用于权利要求1的一种钴过渡金属配位聚合物,其特征在于,所述钴过渡金属配位聚合物用于水中催化降解RhB、ACB、MV和MO四种常见有害染料,同时也在光催化降解水中有机污染物中应用。
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