JP2014156434A - Functional metal-organic framework material containing novel composite particles - Google Patents

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Shunsuke Tanaka
俊輔 田中
Koji Kida
康司 来田
Yoshikazu Miyake
義和 三宅
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a zeolite-like imidazolate framework material easily in a large scale without solvent, salt, etc., and also to provide a composite material containing novel composite particles containing a zeolite-like imidazolate structure, and a production method of the same and a method of using the same as a functional material.SOLUTION: Provided is a composite material containing composite particles containing polycrystal-type particles comprising metal oxide particles at a central part of the composite particles and a zeolite-like imidazolate structure at an outer shell part of the metal oxide particles. The metal in the metal oxide particles and the zeolite-like imidazolate structure is one selected from the group consisting of zinc and cobalt, and the imidazolate ligand is one derived from imidazole which may have a substituent, or a derivative thereof. Also provided are a production method of the same and a method of using the same as a functional material.

Description

本発明は、機能性金属有機骨格材料、特に新規な複合粒子を含む複合体の機能性金属有機骨格材料に関する。具体的には、金属酸化物粒子およびゼオライト様イミダゾレート構造体の多結晶型粒子を含有する新規な複合粒子を含む複合体、並びにその製造方法および機能性材料としてのその使用方法に関する。   The present invention relates to a functional metal-organic framework material, and more particularly to a composite functional metal-organic framework material containing novel composite particles. Specifically, the present invention relates to a composite containing novel composite particles containing metal oxide particles and polycrystalline particles of a zeolite-like imidazolate structure, and a method for producing the same and a method for using it as a functional material.

近年、機能性材料として多層(例えば、コア・シェル型)構造の複合体粒子が注目されている。かかる多層構造の複合体粒子は、例えばその中心部と外殻部とが異なる構造体を有することにより、中心部または外殻部のいずれかの構造体が単独で元来奏する機能を向上させたり、あるいはその両方の構造体が元来奏する複数の機能を同時複合的に発揮させるなどの効果が期待できる。しかしながら、そのような多層構造の複合体粒子の製造は中心部と外殻部のそれぞれの構造を共に化学的に制御する必要がある。   In recent years, composite particles having a multilayer (for example, core / shell type) structure have attracted attention as functional materials. Such a composite particle having a multilayer structure has, for example, a structure in which the central portion and the outer shell portion are different from each other, thereby improving the function of the original structure of either the central portion or the outer shell portion. In addition, it is possible to expect an effect such that a plurality of functions originally produced by both structures are simultaneously and compositely exhibited. However, the production of composite particles having such a multilayer structure requires chemical control of the structures of the central portion and the outer shell portion.

また、金属有機構造体(Metal-Organic Framework:MOF)を骨格とする材料は、金属イオンと有機架橋配位子の配位結合・自己集合を経て合成される結晶性の3次元ミクロポーラス材料であり、機能性材料として期待されている。MOFは、有機架橋配位子と金属イオン種の組み合わせによって、幅広い構造設計が可能であり、均一なミクロ孔(〜0.4nm)および高い比表面積(〜6000m/g)を有するために、例えばガス貯蔵、ガス分離、不均一触媒、およびデバイスなどの機能性材料として期待されている(特許文献1乃至3、非特許文献1参照)。 In addition, a material with a metal-organic framework (MOF) as a skeleton is a crystalline three-dimensional microporous material synthesized through coordination bonds and self-assembly of metal ions and organic bridging ligands. Yes, it is expected as a functional material. The MOF can be designed in a wide range of structures by combining organic bridging ligands and metal ion species, and has uniform micropores (˜0.4 nm) and high specific surface area (˜6000 m 2 / g). For example, it is expected as a functional material such as gas storage, gas separation, heterogeneous catalyst, and device (see Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Document 1).

MOFの1つとして、金属として亜鉛(Zn)またはコバルト(Co)からなり、また有機架橋配位子としてイミダゾールからなる、ゼオライト様トポロジーを有するイミダゾレート構造体(Zeolitic Imidazolate Framework:ZIF)を骨格とする材料が合成されている(非特許文献2参照)。ZIFの特性としては、ゼオライト様トポロジーを有しながら、一方でゼオライトと相違して、テンプレートフリーな自己組織化により形成されるため構造規定剤が不要であり、また、アルミニウム(Al)以外にはケイ素(Si)、酸素(O)からなる無機骨格のゼオライトと違ってイミダゾール有機配位子を有するため構造の柔軟性を有し、更にゼオライトではSi/Al比やカチオン種を変えることにより分子全体の親水性または疎水性の制御を図っているのに対し、ZIFではイミダゾール上の官能基を改変するだけで分子全体の親水性または疎水性の制御を図ることができるため、製造面および特性の面から大いに期待されている。   As one of the MOFs, an imidazolate structure (Zeolitic Imidazolate Framework: ZIF) having a zeolite-like topology composed of zinc (Zn) or cobalt (Co) as a metal and imidazole as an organic bridging ligand is used as a skeleton. The material to be synthesized is synthesized (see Non-Patent Document 2). ZIF has a zeolite-like topology, but on the other hand, unlike zeolite, it is formed by template-free self-assembly, so there is no need for a structure-directing agent. In addition to aluminum (Al), Unlike zeolite with an inorganic skeleton consisting of silicon (Si) and oxygen (O), it has an imidazole organic ligand, so it has structural flexibility. In addition, zeolite can change the entire molecule by changing the Si / Al ratio and cation species. In contrast, ZIF can control the hydrophilicity or hydrophobicity of the entire molecule simply by modifying the functional group on imidazole. It is highly expected from the aspect.

ZIFの例としては、金属として亜鉛、イミダゾレート配位子として2−メチルイミダゾレート配位子からなるZIF−8が知られ(上記非特許文献2、特許文献4および5参照)、これはバソライト(Basolite)(登録商標)Z1200(シグマ−アルドリッチ社製)として市販されている。かかるZIF−8の製造方法としては、一般的なZIFの製法方法と同様に、硝酸亜鉛などの金属塩を出発原料とする、ソルボサーマル法、溶液法およびメカノケミカル法が知られている。ここで、ソルボサーマル法(非特許文献3、特許文献4および5参照)では、N,N−ジメチルホルムアミドやエタノールなどの有機溶媒の使用を必要とするため、その揮発性、可燃性、毒性による安全上の問題や環境への悪影響の問題があり、且つ高温・高圧条件をも必要とする。また、溶液法の場合には有機溶媒を用いたときには上記問題に加えて、反応速度が低いために生成物の収率が低く、水を溶媒として用いたときには(非特許文献4および5参照)イミダゾールの溶解度が極めて低いために大過剰量のイミダゾール系配位子が必要となり、加えて、反応終了後に残存する未反応のイミダゾール系配位子を洗浄除去する必要がある。また、ソルボサーマル法、溶液法では未反応の亜鉛イオンが残存し、生成物を回収する際に水で洗浄すると水酸化物などの不純物が生成してしまう。そのため、材料の細孔容積(これは、質量比容積cc/gであるため、比重が大きく、細孔を有さない材料が不純物として混入すると細孔容積が低下してしまう)が減少する問題があり、有機溶媒を用いた洗浄が必要不可欠となる。   As an example of ZIF, ZIF-8 comprising zinc as a metal and 2-methylimidazolate ligand as an imidazolate ligand is known (see Non-Patent Document 2, Patent Documents 4 and 5 above), which is a batholite. (Basolite) (registered trademark) Z1200 (manufactured by Sigma-Aldrich) is commercially available. As a method for producing such ZIF-8, a solvothermal method, a solution method and a mechanochemical method using a metal salt such as zinc nitrate as a starting material are known, as in a general method for producing ZIF. Here, the solvothermal method (see Non-Patent Document 3, Patent Documents 4 and 5) requires the use of an organic solvent such as N, N-dimethylformamide or ethanol, and therefore depends on its volatility, flammability, and toxicity. There are safety problems and adverse environmental effects, and high temperature and high pressure conditions are required. In addition, in the case of the solution method, in addition to the above problems when an organic solvent is used, the reaction rate is low, so that the yield of the product is low, and when water is used as a solvent (see Non-Patent Documents 4 and 5). Since the solubility of imidazole is extremely low, a large excess of imidazole ligand is required, and in addition, it is necessary to wash away the unreacted imidazole ligand remaining after the reaction. In addition, unreacted zinc ions remain in the solvothermal method and the solution method, and impurities such as hydroxides are generated when the product is recovered and washed with water. Therefore, the pore volume of the material (this is the mass specific volume cc / g, so the specific gravity is large and the pore volume is reduced when a material without pores is mixed as an impurity) Therefore, cleaning with an organic solvent is indispensable.

一方で、メカノケミカル法は溶媒を使用せずに常温・常圧で機械的に混合して製造する方法であるため、溶媒に溶けにくい試薬も用いることができ、生成物の幅広い構造設計が可能となる。また、有機溶媒を使用せず、反応工程で生成する副生成物も水のみであることから、環境や人体への悪影響が少なく、コストパフォーマンスが高いといった利点も有する。しかしながら、ZIF−8の製造について、これまでに完全なメカノケミカル法は達成されておらず、報告例(非特許文献6および7参照)によれば、反応系中に少量の有機溶媒(例えば、ジメチルホルムアミド、エタノールなど)および助剤としてのアンモニウム塩(例えば、硝酸アンモニウム、メチル硫酸アンモニウム、硫酸アンモニウム)の存在を必要とし、それら試薬なしでは金属供与源としての酸化亜鉛とイミダゾール配位子とは反応し得ないことが示唆されている。また、その製造スケールも数百ミリグラムスケールであって、より大量スケールで製造可能な方法が望まれている。   On the other hand, the mechanochemical method is a method of mechanically mixing at room temperature and pressure without using a solvent, so it is possible to use reagents that are difficult to dissolve in a solvent, and a wide range of structural designs of products is possible. It becomes. In addition, since an organic solvent is not used and the only by-product generated in the reaction step is water, there are advantages such as less adverse effects on the environment and the human body and high cost performance. However, a complete mechanochemical method has not been achieved so far for the production of ZIF-8, and according to reported examples (see Non-Patent Documents 6 and 7), a small amount of organic solvent (for example, Dimethylformamide, ethanol, etc.) and the presence of ammonium salts (eg, ammonium nitrate, ammonium methylsulfate, ammonium sulfate) as auxiliaries, and without these reagents, zinc oxide as a metal source and imidazole ligand can react. It has not been suggested. Further, the production scale is several hundred milligram scale, and a method capable of being produced on a larger scale is desired.

特許第5083762号Japanese Patent No. 5083762 特開2005−255651号JP-A-2005-255651 特許第4994398号Patent No. 4994398 特表2009−528251号Special table 2009-528251 特表2012−530722号Special table 2012-530722

北川進ら著、材料科学の基礎、第7号、シグマ−アルドリッチ社刊By Kitagawa Susumu, Basics of Materials Science, No. 7, published by Sigma-Aldrich O.M. Yaghiら著、Accounts of Chemical Research 43, 58 (2010)O.M.Yaghi et al., Accounts of Chemical Research 43, 58 (2010) O.M. Yaghiら著、Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 10186 (2006)O.M.Yaghi et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 10186 (2006) Y. Panら著、Chem. Comm. 47, 2071 (2011)Y. Pan et al., Chem. Comm. 47, 2071 (2011) S. Tanakaら著、Chem. Lett., 41, 1337 (2012)S. Tanaka et al., Chem. Lett., 41, 1337 (2012) T. Friscicら著、Angew. Chem. Int. Ed. 49, 712 (2010)T. Friscic et al., Angew. Chem. Int. Ed. 49, 712 (2010) T. Friscicら著、Chem. Sci. 3, 2495 (2012)T. Friscic et al., Chem. Sci. 3, 2495 (2012)

本発明は、有機溶媒などの溶媒およびアンモニウム塩などを必要とせず、また高温・高圧条件をも必要とせず、大量スケールで簡便に、ゼオライト様トポロジーを有するイミダゾレート骨格材料を得ることを目的とする。本発明はまた、ゼオライト様イミダゾレート構造体を含有する新規な複合粒子を含む複合体、並びにその製造方法および機能性材料としてのその使用方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to obtain an imidazolate skeleton material having a zeolite-like topology easily without requiring a solvent such as an organic solvent and an ammonium salt, and without requiring high temperature and high pressure conditions. To do. It is another object of the present invention to provide a composite containing novel composite particles containing a zeolite-like imidazolate structure, and a method for producing the same and a method for using the same as a functional material.

そこで、本発明者らは上記目的を達成すべく、メカノケミカル法によるZIF−8をはじめとするZIFの簡便な製造法を鋭意研究した結果、出発原料として金属酸化物を用いて溶媒を全く用いない乾式製造法により、大量スケールで反応が進行することを見出した。本発明の乾式製造法は、ソルボサーマル法、溶液法と対比して、金属酸化物を原料とし、未反応物は金属酸化物として残るのみで、水との反応による不純物生成は起こらない利点がある。また、予想外に該製法で得られる生成物が、金属酸化物粒子およびゼオライト様イミダゾレート構造体(ZIF)の多結晶型粒子を含有する新規な複体粒子を含む複合体であることを見出した。さらに、得られたゼオライト様イミダゾレート構造体(ZIF)の多結晶型粒子を含有する複合粒子を含む複合体がZIF単独の単結晶粒子の場合よりも優れた機能を奏することを見出した。すなわち、本発明は以下の通りである。   In order to achieve the above-mentioned object, the present inventors diligently studied a simple method for producing ZIF including ZIF-8 by mechanochemical method, and as a result, a metal oxide was used as a starting material and no solvent was used. It was found that the reaction proceeds on a large scale by a dry production method that is not. Compared with the solvothermal method and the solution method, the dry production method of the present invention has the advantage that the metal oxide is used as a raw material and the unreacted material remains as the metal oxide, and no impurities are generated by reaction with water. is there. In addition, unexpectedly, the product obtained by the production method was found to be a composite containing novel composite particles containing metal oxide particles and polycrystalline particles of zeolite-like imidazolate structure (ZIF). It was. Furthermore, it has been found that the composite containing the composite particles containing polycrystalline particles of the zeolite-like imidazolate structure (ZIF) has a function superior to that of the single crystal particles of ZIF alone. That is, the present invention is as follows.

[1]複合粒子の中心部に金属酸化物粒子および該金属酸化物粒子の外殻部にゼオライト様イミダゾレート構造体の多結晶型粒子を含有する複合粒子を含む複合体であって、
該金属酸化物粒子および該ゼオライト様イミダゾレート構造体中の金属が亜鉛およびコバルトからなる群から選ばれる金属であって、
該イミダゾレート配位子は置換基を有していてもよいイミダゾールまたはその誘導体由来のイミダゾレート配位子であって、ここで、該置換基は、C1〜6アルキル基、ハロゲン基及びニトロ基からなる群から選ばれる1〜3個の置換基であるか、またはイミダゾレート配位子上の4および5位の隣接する置換基が一緒になって、置換基を有していてもよい縮合環式の5もしくは6員の芳香族炭素環もしくは芳香族ヘテロ環を形成していてもよい、該複合体。
[2]該金属が亜鉛であって、該ゼオライト様イミダゾレート構造体がZIF−8である、[1]記載の該複合体。
[3]該複合粒子中の金属酸化物粒子の存在比と、ゼオライト様イミダゾレート構造体の多結晶型粒子の総計との存在比がモル比で9:1〜2:8である、[1]または[2]のいずれか記載の該複合体。
[4]該複合体が、複合粒子および金属酸化物粒子からなる複合体である、[1]乃至[3]のいずれか1項記載の該複合体。
[5]以下の工程を含む、[1]乃至[4]のいずれか1項記載の複合体の製造方法;
1)金属酸化物とイミダゾールまたはその誘導体とをモル比が1:0.1〜1:5.0の割合で配合、混合する工程;および
2)i)該反応混合物を粉砕混合する工程;または、
ii)該反応混合物を加熱静置する工程。
[6]該金属酸化物が酸化亜鉛であり、そして該イミダゾールまたはその誘導体が2−メチルイミダゾールである、[5]記載の製造方法。
[7][1]乃至[4]のいずれか1項記載の複合体を含有する、吸着剤。
[8]気体、染料、または有機溶剤に対する、[7]記載の吸着剤。
[9]ガス貯蔵、ガス分離、ガスセンサーデバイス、または不均一反応触媒のための、[1]乃至[4]のいずれか1項記載の複合体の使用。
[1] A composite comprising composite particles containing metal oxide particles in the center of the composite particles and polycrystalline particles of a zeolite-like imidazolate structure in the outer shell of the metal oxide particles,
The metal in the metal oxide particles and the zeolite-like imidazolate structure is a metal selected from the group consisting of zinc and cobalt,
The imidazolate ligand is an imidazolate ligand derived from imidazole which may have a substituent or a derivative thereof, wherein the substituent includes a C 1-6 alkyl group, a halogen group and a nitro group. 1 to 3 substituents selected from the group consisting of groups, or adjacent substituents at positions 4 and 5 on the imidazolate ligand may be combined to have a substituent. The complex, which may form a condensed 5- or 6-membered aromatic carbocyclic ring or aromatic heterocyclic ring.
[2] The composite according to [1], wherein the metal is zinc and the zeolite-like imidazolate structure is ZIF-8.
[3] The abundance ratio of the metal oxide particles in the composite particles and the total number of polycrystalline particles of the zeolite-like imidazolate structure is 9: 1 to 2: 8 in molar ratio. ] Or the complex according to any one of [2].
[4] The composite according to any one of [1] to [3], wherein the composite is a composite composed of composite particles and metal oxide particles.
[5] The method for producing a composite according to any one of [1] to [4], comprising the following steps;
1) a step of blending and mixing a metal oxide and imidazole or a derivative thereof in a molar ratio of 1: 0.1 to 1: 5.0; and 2) i) a step of grinding and mixing the reaction mixture; or ,
ii) A step of heating and standing the reaction mixture.
[6] The production method according to [5], wherein the metal oxide is zinc oxide, and the imidazole or a derivative thereof is 2-methylimidazole.
[7] An adsorbent containing the complex according to any one of [1] to [4].
[8] The adsorbent according to [7] for a gas, a dye, or an organic solvent.
[9] Use of the composite according to any one of [1] to [4] for gas storage, gas separation, a gas sensor device, or a heterogeneous reaction catalyst.

本発明の、複合粒子の中心部に金属酸化物粒子、および該金属酸化物粒子の外殻部にゼオライト様イミダゾレート構造体(ZIF)の多結晶型粒子を含有する複合粒子を含む複合体は、従来のZIF単独の単結晶粒子の場合と比べて優れた機能(例えば、吸着能)を奏し得る。   According to the present invention, there is provided a composite comprising composite particles containing metal oxide particles in the center of the composite particles, and polycrystalline particles of a zeolite-like imidazolate structure (ZIF) in the outer shell of the metal oxide particles. As compared with the case of conventional single crystal particles of ZIF alone, an excellent function (for example, adsorption ability) can be achieved.

ZIF−8の構造の模式図を示す図面である。It is drawing which shows the schematic diagram of the structure of ZIF-8. 実施例1の洗浄前の複合体生成物の粉末X−線回折スペクトルを示す図面である。1 is a drawing showing a powder X-ray diffraction spectrum of a complex product before washing in Example 1. 実施例1における、酸化亜鉛、2−メチルイミダゾール、ZIF−8の回折ピーク強度の変化の比較を示す図面である。It is drawing which shows the comparison of the change of the diffraction peak intensity of the zinc oxide in Example 1, 2-methylimidazole, and ZIF-8. 実施例1の洗浄後の複合体生成物の粉末X−線回折スペクトルを示す図面である。1 is a drawing showing a powder X-ray diffraction spectrum of a complex product after washing in Example 1. 複合体生成物の熱重量(TG)分析チャートを示す図面である。It is drawing which shows the thermogravimetric (TG) analysis chart of a composite product. 製造時間と複合体中のZIF−8存在割合の関係を示す図面である。It is drawing which shows the relationship between manufacturing time and the ZIF-8 presence rate in a composite_body | complex. 実施例2の複合体生成物の粉末X線回折スペクトルを示す図面である。2 is a powder X-ray diffraction spectrum of the composite product of Example 2. 実施例3の複合体生成物の粉末X線回折スペクトルを示す図面である。4 is a powder X-ray diffraction spectrum of the composite product of Example 3. 酸化亜鉛と2−メチルイミダゾール(Hmim)とを反応させたときの複合体生成物の走査型電子顕微鏡写真の像の経時変化を示す図面である。比較として、溶液法(水)で調製したZIF−8単結晶の電子顕微鏡写真の像をあわせて示す。It is drawing which shows the time-dependent change of the image of the scanning electron micrograph of a composite product when zinc oxide and 2-methylimidazole (Hmim) are made to react. For comparison, an image of an electron micrograph of a ZIF-8 single crystal prepared by a solution method (water) is also shown. 異なる粒子径(−5μm)の酸化亜鉛の反応前後の走査型電子顕微鏡写真の像を示す図面である。It is drawing which shows the image of the scanning electron micrograph before and behind reaction of the zinc oxide of a different particle diameter (-5 micrometers). 異なる粒子径(−5μm)の酸化亜鉛を用いたときの生成物の粉末X線回折スペクトルを示す図面である。It is drawing which shows the powder X-ray-diffraction spectrum of a product when using a zinc oxide of a different particle diameter (-5 micrometers). 酸化亜鉛と2−メチルイミダゾールとを一定時間反応時に形成する複合体の窒素ガス(N)に対する吸着能を調べたときの経時変化を示す図面である。比較として、ZIF−8単結晶の場合の測定結果をあわせて示す。It is a diagram showing changes over time when examining the adsorption capacity for nitrogen gas complex to form a zinc oxide and a 2-methylimidazole at a certain time reaction (N 2). For comparison, the measurement results for the ZIF-8 single crystal are also shown. 複合体のローダミンBに対する吸着能を示す紫外可視分光光度計(UV)のスペクトルを示す図面である。It is drawing which shows the spectrum of the ultraviolet visible spectrophotometer (UV) which shows the adsorption capacity with respect to the rhodamine B of a composite_body | complex.

以下に、本発明をさらに詳細に説明する。
(定義)
以下に、本明細書および特許請求の範囲中で使用する用語の定義を示す。特に断らなければ、本明細書中の基または用語について示す最初の定義を、個別にまたは別の基の一部として本明細書中の基または用語に適用する。
The present invention is described in further detail below.
(Definition)
The definitions of terms used in the present specification and claims are shown below. Unless otherwise indicated, the first definition given for a group or term herein applies to the group or term herein individually or as part of another group.

本発明の複合体の生成メカニズムは、粉砕・凝結プロセスによる複合化と考えられる。具体的には、まず金属酸化物粒子の外表面部でイミダゾールとの反応が起こり、ZIF結晶が生成する。そして、これらZIF結晶が付着した金属酸化物の複合粒子同士が凝結し、一旦複合粒子の凝集体(集合体)が生成する。次いで、これら凝集物は粉砕されてより小さい複合粒子の凝集体になる。同時に、金属酸化物粒子の外表面部では多くの箇所でイミダゾールとの反応が進行し、金属酸化物粒子の粒子径は次第に減少し、結果金属酸化物粒子を中心(コア)に、その外殻部にZIFの結晶粒子を有する複合粒子が形成される。そして、それら複合粒子は互いに凝結して凝集体(集合体)としての複合体を形成する。また、複合体同士が凝結して凝集体(集合体)を形成する際に、未反応の金属酸化物を取り込んで、複合体を形成してもよい。   The formation mechanism of the composite of the present invention is considered to be composite by a grinding / condensation process. Specifically, first, a reaction with imidazole occurs on the outer surface portion of the metal oxide particles, and a ZIF crystal is generated. Then, the composite particles of metal oxide to which these ZIF crystals are attached are condensed, and aggregates (aggregates) of the composite particles are once generated. These aggregates are then ground into smaller composite particle aggregates. At the same time, the reaction with imidazole proceeds in many places on the outer surface of the metal oxide particles, and the particle diameter of the metal oxide particles gradually decreases, with the result that the metal oxide particles are in the center (core) and the outer shell. Composite particles having ZIF crystal particles in the part are formed. These composite particles condense with each other to form a composite as an aggregate (aggregate). Further, when the composites condense to form an aggregate (aggregate), an unreacted metal oxide may be taken in to form the composite.

用語「複合粒子」とは、中心部(いわゆるコア部)に金属酸化物粒子を有し、その金属酸化物粒子の外殻部(いわゆるシェル部)にゼオライトイミダゾレート構造体の結晶が凝集した粒子が多数被覆した構造を有する、金属酸化物粒子とゼオライト様イミダゾレート構造体の多結晶型粒子を含有する、複合粒子を意味する。   The term “composite particle” refers to a particle having metal oxide particles in the central part (so-called core part) and crystals of a zeolite imidazolate structure aggregated in the outer shell part (so-called shell part) of the metal oxide particles. Means a composite particle containing metal oxide particles and polycrystalline particles of a zeolite-like imidazolate structure having a structure in which a large number of particles are coated.

用語「複合体」とは、複合粒子が凝結した凝集体(集合体)を意味する。該複合体は、未反応の金属酸化物粒子を含んでもよい。該複合体は多孔性の構造を有する。複合体中での複合粒子と金属酸化物粒子との存在比はモル比率で約100:0〜約5:95であり、例えば約95:5〜約20:80、例えば約90:10〜約50:50であり、典型的には約80:20である。これらの存在比は、熱重量分析(TG)および粉末X線回折スペクトル(XRD)測定時のピーク強度から測定、算出することができる。   The term “composite” means an aggregate (aggregate) in which composite particles are condensed. The composite may include unreacted metal oxide particles. The composite has a porous structure. The abundance ratio of the composite particles to the metal oxide particles in the composite is about 100: 0 to about 5:95 in a molar ratio, such as about 95: 5 to about 20:80, for example about 90:10 to about 50:50, typically about 80:20. These abundance ratios can be measured and calculated from peak intensities at the time of thermogravimetric analysis (TG) and powder X-ray diffraction spectrum (XRD) measurement.

用語「金属酸化物粒子」とは、酸化亜鉛(II)(ZnO)または酸化コバルト(II)(CoO)の粒子を意味し、酸化亜鉛の粒子が好ましい。様々な粒子径を有する金属酸化物粒子が市販品を購入することができ、あるいは当該分野で知られる製法を用いて調製することができる。   The term “metal oxide particles” means zinc (II) oxide (ZnO) or cobalt (II) oxide (CoO) particles, with zinc oxide particles being preferred. Metal oxide particles having various particle sizes can be purchased commercially or can be prepared using manufacturing methods known in the art.

用語「ゼオライト様イミダゾレート構造体(本明細書中、「ZIF」と略称することがある)」とは、金属とイミダゾレート配位子とが相互作用したゼオライト様のトポロジーを有する構造体を意味する。特に、金属が亜鉛であり、およびイミダゾレート配位子が2−メチルイミダゾレート配位子であるZIF−8(本明細書中、「Zn(mim)」と呼称することもある)が好ましい。ZIF−8の構造の模式図を図1に示す。本発明の複合粒子において、該イミダゾレート配位子として、2−メチルイミダゾレートを下記の置換基を有していてもよいイミダゾールまたはその誘導体由来のイミダゾレートに置き代えるとき、生成するゼオライト様イミダゾレート構造体はZIF−8に類似の構造を有し得る。 The term “zeolite-like imidazolate structure (sometimes abbreviated as“ ZIF ”” herein) means a structure having a zeolite-like topology in which a metal and an imidazolate ligand interact. To do. Particularly preferred is ZIF-8 (sometimes referred to herein as “Zn (mim) 2 ”), wherein the metal is zinc and the imidazolate ligand is a 2-methylimidazolate ligand. . A schematic diagram of the structure of ZIF-8 is shown in FIG. In the composite particles of the present invention, when 2-methylimidazolate is replaced with an imidazolate derived from imidazole or a derivative thereof which may have the following substituent as the imidazolate ligand, a zeolite-like imidazole formed The rate structure may have a structure similar to ZIF-8.

用語「多結晶型粒子」とは、ゼオライトイミダゾレート構造体の結晶が凝集した粒子が多数存在している状態を意味する。多結晶は微小な単結晶から構成されており、互いに隣接する単結晶間に結晶粒界(多結晶体において二つ以上の小さな結晶の間に存在する界面を意味する)をもつことを意味する。本発明の複合体の場合、単結晶間の結晶粒界は単結晶内部の細孔よりも大きい。よって、例えば一般的なZIF−8ではローダミンBに対する低吸着量を示すのに対して、本発明の複合体は高い吸着量を示すことができる。   The term “polycrystalline particles” means a state in which a large number of particles in which crystals of a zeolite imidazolate structure are aggregated exist. A polycrystal is composed of small single crystals, which means that there is a grain boundary (meaning an interface existing between two or more small crystals in a polycrystal) between adjacent single crystals. . In the composite of the present invention, the grain boundary between single crystals is larger than the pores inside the single crystals. Therefore, for example, general ZIF-8 shows a low adsorption amount with respect to rhodamine B, whereas the complex of the present invention can show a high adsorption amount.

用語「イミダゾレート配位子」とは、イミダゾール上の1位のNH基から水素が脱離した窒素原子および3位の窒素原子の位置で金属と配位し得るイミダゾール由来の配位子を意味する。   The term “imidazolate ligand” means a ligand derived from imidazole that can coordinate with a metal at the position of the nitrogen atom from which the hydrogen is eliminated from the NH group at position 1 on the imidazole and the nitrogen atom at position 3 To do.

用語「置換基を有していてもよいイミダゾールまたはその誘導体」とは、無置換のイミダゾール、あるいはイミダゾール上の2、4もしくは5位の少なくとも1つ以上(2位でモノ置換されることが好ましい)の炭素原子上で炭素数が1〜6個(C1〜6)(例えば、炭素数が1〜3個(C1〜3))のアルキル基、ハロゲン基及びニトロ基からなる群から選ばれる1〜3個の置換基を有するか、またはイミダゾール上の4および5位の隣接する置換基が一緒になって、置換基を有していてもよい縮合環式の5もしくは6員の芳香族炭素環もしくは芳香族ヘテロ環を形成していてもよい、イミダゾールを意味する。炭素数が1〜6個のアルキル基としては、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピル、n−ブチル、イソブチル、ネオブチル、t−ブチル、n−ペンチル、n−ヘキシルなどを含むが、メチル、エチル、n−プロピル、イソプロピルがより好ましく、メチル、エチルがより一層好ましく、メチルが特に好ましい。ハロゲン基としては、フルオロ、クロロ、ブロモ、ヨードが挙げられ、クロロが好ましい。 The term “optionally substituted imidazole or derivative thereof” means unsubstituted imidazole, or at least one or more of the 2, 4, or 5 positions on imidazole (preferably monosubstituted at the 2 position) ) Selected from the group consisting of an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms (C 1-6 ) (for example, 1 to 3 carbon atoms (C 1-3 )), a halogen group, and a nitro group. A fused cyclic 5- or 6-membered fragrance optionally having 1 to 3 substituents, or adjacent substituents at positions 4 and 5 on the imidazole taken together Means imidazole which may form an aromatic carbocyclic ring or an aromatic heterocyclic ring. Examples of the alkyl group having 1 to 6 carbon atoms include methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, isobutyl, neobutyl, t-butyl, n-pentyl, n-hexyl, and the like. N-propyl and isopropyl are more preferable, methyl and ethyl are more preferable, and methyl is particularly preferable. Examples of the halogen group include fluoro, chloro, bromo and iodo, and chloro is preferred.

また、イミダゾール上の4および5位の隣接する置換基が一緒になって、置換基を有していてもよい縮合環式の5もしくは6員の芳香族炭素環もしくは芳香族ヘテロ環を形成していてもよい。縮合環式5もしくは6員の芳香族炭素環の例としては、ベンゾ基が挙げられる。縮合環式5もしくは6員の芳香族ヘテロ環とは、ヘテロ原子として酸素、窒素または硫黄原子から選ばれる少なくとも1つの原子を含有する、縮合環式5もしくは6員の芳香族ヘテロ環を意味し、5員芳香族ヘテロ環としては例えば、フロ基、チオフェノ基、ピロロ基、イミダゾロ基、ピラゾロ基、イソオキサゾロ基、テトラゾロ基などが挙げられ、6員芳香族ヘテロ環としては例えば、ピリド基、ピラジノ基、ピリミジノ基、ピリダジノ基などが挙げられる。イミダゾールまたはその誘導体の典型的な例を下式に示す。
最も好ましい具体例としては、2−メチルイミダゾール(本明細書中、「Hmim」と略称することがある)が挙げられ、このもの由来の配位子は2−メチルイミダゾレート(本明細書中、「mim」と略称することがある)」であり、これは上記の「ZIF−8」を構成する配位子である。イミダゾールおよびその種々の誘導体が市販品を購入することができ、あるいは当該分野で知られる製法を用いて合成することができる。
In addition, the adjacent substituents at the 4- and 5-positions on the imidazole together form a condensed cyclic 5- or 6-membered aromatic carbocycle or aromatic heterocycle which may have a substituent. It may be. Examples of fused cyclic 5- or 6-membered aromatic carbocycles include benzo groups. The fused cyclic 5- or 6-membered aromatic heterocycle means a fused 5- or 6-membered aromatic heterocycle containing at least one atom selected from oxygen, nitrogen or sulfur atoms as a hetero atom. Examples of the 5-membered aromatic heterocycle include a furo group, a thiopheno group, a pyrrolo group, an imidazolo group, a pyrazolo group, an isoxazolo group, and a tetrazolo group. Examples of the 6-membered aromatic heterocycle include a pyrido group, a pyrazino group, Group, pyrimidino group, pyridazino group and the like. A typical example of imidazole or a derivative thereof is shown in the following formula.
The most preferred specific example includes 2-methylimidazole (sometimes abbreviated as “Hmim” in the present specification), and the ligand derived therefrom is 2-methylimidazolate (in the present specification, Which may be abbreviated as “mim”), which is a ligand that constitutes “ZIF-8” described above. Imidazole and its various derivatives can be purchased commercially or synthesized using methods known in the art.

本発明の複合粒子において、金属酸化物粒子の外表面部はゼオライト様イミダゾレート構造体の多結晶型粒子によって全部が被覆されていてもよく、あるいはその一部が被覆されていてもよい。かかる被覆の程度は、複合粒子の製造時に配合する金属酸化物粒子とイミダゾールまたはその誘導体との配合比を調節することによって、あるいは複合体の製造時の反応条件(例えば、反応時間)を改変、制御することによって変えることができる。本発明の複合粒子中の金属酸化物粒子の存在比と、ゼオライト様イミダゾレート構造体の多結晶型粒子の総計との存在比はモル比で、例えば約99:1〜約1:99、好ましくは約9:1〜約2:8、典型的には約3:1が挙げられる。例えば、金属酸化物粒子に対して、イミダゾールまたはその誘導体の配合比をモル比率で増大させるにつれて、生成する複合粒子中の金属酸化物の存在比は減少し、大過剰量でイミダゾールを反応させると、金属酸化物粒子をすべて複合粒子に変換することが可能となる。
これらの存在比は、熱重量分析および粉末X線回折スペクトル測定時のピーク強度から測定、算出することができる。
In the composite particles of the present invention, the outer surface portion of the metal oxide particles may be entirely covered with the polycrystalline particles of the zeolite-like imidazolate structure, or a part thereof may be covered. The degree of such coating is adjusted by adjusting the compounding ratio of the metal oxide particles and imidazole or its derivative to be blended at the time of producing the composite particles, or by modifying the reaction conditions (for example, the reaction time) at the time of producing the composite, It can be changed by controlling. The abundance ratio of the metal oxide particles in the composite particles of the present invention and the total number of polycrystalline particles of the zeolite-like imidazolate structure is a molar ratio, for example, about 99: 1 to about 1:99, preferably Of about 9: 1 to about 2: 8, typically about 3: 1. For example, as the compounding ratio of imidazole or a derivative thereof is increased in molar ratio with respect to the metal oxide particles, the abundance ratio of the metal oxide in the resulting composite particles decreases, and when imidazole is reacted in a large excess amount All metal oxide particles can be converted into composite particles.
These abundance ratios can be measured and calculated from the peak intensity at the time of thermogravimetric analysis and powder X-ray diffraction spectrum measurement.

該金属酸化物粒子の平均粒径は、例えば約5nm〜約5μmであり、約1μm以下が好ましく、例えば約10nm〜約1μmであり、より好ましくは約20nm〜約100nmであり、該ゼオライト様イミダゾレート構造体の多結晶型粒子の1粒子の平均粒径は、例えば約10nm〜約50nmであり、好ましくは約20nm〜約30nmであり、該複合粒子の平均粒径は、例えば約50nm〜約500nmであり、好ましくは約50nm〜約300nmである。多結晶を構成している単結晶の大きさは、例えばXRDの結果を当該分野でよく知られる方法、例えばシェラー(scherrer)の式を用いて解析することで見積もることができる。これら平均粒子径は、走査型電子顕微鏡の像の解析および熱重量分析からの収率計算により確認する。本発明の複合粒子の形成において、一定比率の金属酸化物粒子とイミダゾールとを反応させたとき、金属酸化物粒子の平均粒径が大きいほど、イミダゾールに対するモル当たりの金属酸化物粒子の表面積が小さくなるため、金属酸化物とイミダゾールとの反応が進行する可能性が低くなる。   The average particle diameter of the metal oxide particles is, for example, about 5 nm to about 5 μm, preferably about 1 μm or less, for example, about 10 nm to about 1 μm, more preferably about 20 nm to about 100 nm, and the zeolite-like imidazo The average particle size of one of the polycrystalline particles of the rate structure is, for example, about 10 nm to about 50 nm, preferably about 20 nm to about 30 nm, and the average particle size of the composite particles is, for example, about 50 nm to about 50 nm. 500 nm, preferably from about 50 nm to about 300 nm. The size of the single crystal constituting the polycrystal can be estimated by, for example, analyzing the result of XRD using a method well known in the art, for example, Scherrer's equation. These average particle diameters are confirmed by analyzing the image of a scanning electron microscope and calculating the yield from thermogravimetric analysis. In the formation of the composite particles of the present invention, when a certain ratio of metal oxide particles and imidazole are reacted, the larger the average particle size of the metal oxide particles, the smaller the surface area of the metal oxide particles per mole relative to imidazole. Therefore, the possibility that the reaction between the metal oxide and imidazole proceeds is reduced.

(製造)
本発明の複合体の製造法を以下に説明する。
本発明の複合体は、メカノケミカル法としての乾式製造法を用いて製造することができる。かかる乾式製造法は、原料となる反応試薬を反応溶媒を全く使用せずに機械的に混合することにより製造する方法である。
(Manufacturing)
A method for producing the composite of the present invention will be described below.
The composite of the present invention can be produced using a dry production method as a mechanochemical method. Such a dry production method is a method for producing a reaction reagent as a raw material by mechanically mixing it without using any reaction solvent.

本発明の反応式を下記に示す。
(反応式)
上記の式に示すとおり、金属酸化物(「MO」と略す)(1当量)とイミダゾール(金属酸化物に対してzモル当量)とを反応させることにより、複合体(「M(min)/MO」と略す)が生成する。反応過程で生成する副生成物は水のみである。
The reaction formula of the present invention is shown below.
(Reaction formula)
As shown in the above formula, a metal oxide (abbreviated as “MO”) (1 equivalent) and imidazole (z molar equivalent with respect to the metal oxide) are reacted to form a composite (“M (min) 2 / MO ") is generated. The only by-product generated in the reaction process is water.

製造法の操作は以下の工程からなる。
1)まず、金属酸化物とイミダゾールまたはその誘導体とを適当な反応容器中で配合、混合する。このとき、金属酸化物とイミダゾールまたはその誘導体との配合のモル比は、約1:0.1〜約1:5.0の割合を含み、約1:0.1〜約1:2.0の割合が好ましく、約1:0.5の割合がより好ましい。
The operation of the manufacturing method consists of the following steps.
1) First, a metal oxide and imidazole or a derivative thereof are blended and mixed in a suitable reaction vessel. At this time, the molar ratio of the metal oxide and the imidazole or a derivative thereof is about 1: 0.1 to about 1: 5.0, and about 1: 0.1 to about 1: 2.0. A ratio of about 1: 0.5 is preferred, and a ratio of about 1: 0.5 is more preferred.

2)i)次に、該反応混合物を混合後に、該反応混合物を粉砕混合する。具体的には、一般的に知られる粉砕混合の操作に従って、適当な反応容器中で行う。該反応容器としては例えばボールミルが挙げられる。回転数としては、約50〜約200rpmであり、好ましい例としては約100rpmが挙げられる。また、反応の間、高温下で(例えば、約50℃〜約200℃)該反応混合物を加熱してもよく、これら操作により反応時間を短縮することができる。反応時間は、上記回転数または反応温度などの反応条件に依存して変わり得るが、約1時間〜約240時間が好ましく、約3時間〜約120時間がより好ましい。 2) i) Next, after mixing the reaction mixture, the reaction mixture is ground and mixed. Specifically, it is carried out in a suitable reaction vessel in accordance with a generally known pulverization and mixing operation. An example of the reaction vessel is a ball mill. The rotation speed is about 50 to about 200 rpm, and a preferred example is about 100 rpm. In addition, the reaction mixture may be heated at a high temperature (for example, about 50 ° C. to about 200 ° C.) during the reaction, and the reaction time can be shortened by these operations. The reaction time may vary depending on the reaction conditions such as the rotation speed or reaction temperature, but is preferably about 1 hour to about 240 hours, more preferably about 3 hours to about 120 hours.

あるいは、上記i)の粉砕混合の操作に代わって、ii)配合後の反応混合物を適当な時間加熱静置してもよい。加熱時間は約50℃〜約200℃が好ましく、約100℃がより好ましい。この場合に使用可能な反応容器としては例えばテフロン容器が挙げられる。また、反応時に該反応混合物を加圧容器(例えば、市販のステンレス加圧容器)中での加圧条件下で(例えば、約2〜50atm)加熱静置してもよく、この操作により反応時間を短縮することができる。反応時間は、上記反応温度または加圧などの反応条件に依存して変わり得るが、約1時間〜約72時間が好ましく、約12時間〜約48時間がより好ましい。   Alternatively, in place of the above pulverization / mixing operation i), the reaction mixture after blending may be heated and allowed to stand for an appropriate time. The heating time is preferably about 50 ° C to about 200 ° C, more preferably about 100 ° C. An example of a reaction vessel that can be used in this case is a Teflon vessel. Further, during the reaction, the reaction mixture may be heated and left under pressure (for example, about 2 to 50 atm) in a pressure vessel (for example, a commercially available stainless steel pressure vessel). Can be shortened. The reaction time may vary depending on the reaction conditions such as the reaction temperature or pressure, but is preferably about 1 hour to about 72 hours, more preferably about 12 hours to about 48 hours.

上記2)の工程としては、粉砕混合する操作の方が収率、反応時間などの種々の観点から好ましい。   As the step 2), the operation of pulverizing and mixing is preferable from various viewpoints such as yield and reaction time.

原料物質である金属酸化物から生成物である複合体への転化率(これは、生成物の収率を意味する)は、熱重量分析によって測定することができる。   The conversion rate from the metal oxide as the raw material to the complex as the product (which means the yield of the product) can be measured by thermogravimetric analysis.

(使用)
次に、上記製造法で得られた本発明の複合体の機能性材料としての使用方法を示す。
(use)
Next, a method for using the composite of the present invention obtained by the above production method as a functional material will be described.

1.ZIF結晶粒子が元来有する機能の向上
まず、本発明の複合体は、その構成要素としてZIF結晶粒子を含むことから、ZIFそのものが元来有する機能を供することができる。例えば、ZIF−8結晶粒子を含む場合には、ZIF−8そのものが元来有する機能(例えば、種々の基質に対する吸着剤として)を供することができる。基質としては例えば、ガス(例えば、窒素ガス、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン)、染料(例えば、ローダミンB、オーラミン、マラカイトグリーン、メチレンブルーなどの塩基性染料))、ペプチド、タンパク質および有機溶剤(例えば、メタノール、エタノールなどの低級アルコール;ポリエチレングリコールなどの多価アルコール)が挙げられる。
1. Improvement of functions originally possessed by ZIF crystal particles First, since the composite of the present invention contains ZIF crystal particles as its constituent elements, it can provide the functions inherent to ZIF itself. For example, when ZIF-8 crystal particles are included, the function inherent to ZIF-8 itself (for example, as an adsorbent for various substrates) can be provided. Examples of substrates include gases (eg, nitrogen gas, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, helium, argon), dyes (eg, basic dyes such as rhodamine B, auramine, malachite green, methylene blue)), peptides, proteins And organic solvents (for example, lower alcohols such as methanol and ethanol; polyhydric alcohols such as polyethylene glycol).

2.金属酸化物粒子の機能とZIF結晶粒子の機能との複合機能の創造
次に、本発明の複合体は、その構成要素として金属酸化物粒子とZIF結晶粒子を含むことから、ZIF結晶粒子そのものが元来有する機能に加えて、金属酸化物粒子そのものが元来有する機能を同時複合的に発揮することが期待できる。例えば、金属酸化物としての亜鉛酸化物は光触媒として機能することが知られることから(例えば、H. Zhangら著、J. Mater. Chem. 19, 5089 (2009);H. A. D. Mariaら著、Energy Environ. Sci. 2, 1231 (2009);K. Rajeshwarら著、J. Photochem. Photobiol. C: PHOTOCHEM. REV. 9, 171 (2008)を参照)、本発明の複合体には、上記ZIF−8そのものが元来有する機能に加えて光触媒としての機能を同時複合的に奏することが期待できる。
2. Creation of composite function of metal oxide particle function and ZIF crystal particle function Next, the composite of the present invention includes metal oxide particles and ZIF crystal particles as its constituent elements. In addition to the functions originally possessed, it can be expected that the metal oxide particles themselves exhibit the functions originally possessed in a composite manner. For example, zinc oxide as a metal oxide is known to function as a photocatalyst (for example, H. Zhang et al., J. Mater. Chem. 19, 5089 (2009); HAD Maria et al., Energy Environ Sci. 2, 1231 (2009); K. Rajeshwar et al., J. Photochem. Photobiol. C: PHOTOCHEM. REV. 9, 171 (2008)), the complex of the present invention contains the above ZIF-8. It can be expected that the function as a photocatalyst can be simultaneously and compositely exhibited in addition to the function inherent in itself.

本発明の複合体は、上記の機能に基づいて様々な用途の機能性材料として使用することができる。例えば、ガス(例えば、窒素、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン)などに対するガス貯蔵、ガス分離;触媒(例えば、不均一触媒として(水素添加反応触媒、光触媒、クネーフェナーゲル縮合反応用触媒));およびデバイス(例えば、ガスセンサーデバイス、燃料電池用固体電解質)を挙げられる。   The composite of the present invention can be used as a functional material for various applications based on the above functions. For example, gas storage and gas separation for gas (eg, nitrogen, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, helium, argon); catalyst (eg, heterogeneous catalyst (hydrogenation reaction catalyst, photocatalyst, Kunefener gel condensation) Reaction catalysts)); and devices (eg gas sensor devices, solid electrolytes for fuel cells).

以下に実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。酸化亜鉛(0.02μmおよび−5μm)は和光純薬工業株式会社から購入した。2−メチルイミダゾールはシグマ−アルドリッチ社から購入した。ローダミンBは和光純薬工業から購入した。
複合体の生成物のキャラクタリゼーションは、各種分光学的分析の解析により行なった。具体的には、反応の経時変化は反応混合物の粉末X−線回折スペクトルの測定および電子顕微鏡の解析により行い、また、金属酸化物から複合粒子への転化率(いわゆる、複合体の収率)は熱重量分析および粉末X−線回折スペクトルによって行った。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples. Zinc oxide (0.02 μm and −5 μm) was purchased from Wako Pure Chemical Industries, Ltd. 2-Methylimidazole was purchased from Sigma-Aldrich. Rhodamine B was purchased from Wako Pure Chemical Industries.
Characterization of the product of the complex was performed by analysis of various spectroscopic analyses. Specifically, the time course of the reaction is measured by measuring the powder X-ray diffraction spectrum of the reaction mixture and analyzing with an electron microscope, and the conversion rate from metal oxide to composite particles (so-called composite yield). Was performed by thermogravimetric analysis and powder X-ray diffraction spectrum.

複合体の製造(粉砕混合)
100個のYTZボール(φ10mm、95%ZrO+HfO、5%Y)を充填した300mlのセラミックポットミル容器(93%Al、5%SiO)に8.1g(約100mmol)の酸化亜鉛(0.02μm)と16.4g(約200mmol)の2−メチルイミダゾールを入れ、卓上型ポットミル架台(増田理化工業社UBM-2)で100rpmにて回転、粉砕混合した。混合時間は、3時間〜240時間とした。粉砕混合後、セラミックポットミル容器から生成物を取り出し、水50mlに分散し、2回洗浄して、未反応の2−メチルイミダゾールを除去した。3時間、6時間、24時間、120時間、240時間で製造した場合、複合体をそれぞれ約13g、約15g、約17g、約19g、約20g得た。
Manufacture of composite (grinding and mixing)
8.1 g (about 100 mmol) in a 300 ml ceramic pot mill vessel (93% Al 2 O 3 , 5% SiO 2 ) filled with 100 YTZ balls (φ10 mm, 95% ZrO 2 + HfO 2 , 5% Y 2 O 3 ) ) Zinc oxide (0.02 μm) and 16.4 g (about 200 mmol) of 2-methylimidazole were added and rotated and ground and mixed at 100 rpm with a desktop pot mill stand (UBM-2, Masuda Rika Kogyo Co., Ltd.). The mixing time was 3 hours to 240 hours. After pulverization and mixing, the product was taken out from the ceramic pot mill container, dispersed in 50 ml of water and washed twice to remove unreacted 2-methylimidazole. When manufactured in 3 hours, 6 hours, 24 hours, 120 hours, and 240 hours, about 13 g, about 15 g, about 17 g, about 19 g, and about 20 g of the composite were obtained, respectively.

粉末X線回折(XRD)測定:市販のX線回折装置(株式会社リガク製、商品名:MiniFlex600を用いて、得られた複合体のX線回折(XRD)測定を行った。図2は、実施例1で得られた複合体(洗浄前)のXRDパターンである。図3は酸化亜鉛、2−メチルイミダゾール、ZIF−8の回折ピーク強度の変化の比較を示す。酸化亜鉛と2−メチルイミダゾールの回折ピーク強度が低下し、ZIF−8の回折ピーク強度が増加することから、酸化亜鉛と2−メチルイミダゾールとの反応を確認することができる。図4は、洗浄後の複合体のXRDパターンである。回折パターンに基づき、複合体をZIF−8とZnOの複合粒子の複合体であると同定することができる。回折ピークの拡がりから、単結晶の大きさ(結晶子)をScherrer(シェラー)の式で評価、算出した。48時間で製造した場合、複合粒子中の酸化亜鉛の平均粒径(結晶子径)は約12nm、ZIF−8の平均粒径(結晶子径)は約25nmと算出された。
D=Kλ/βcosθ (ここで、D:結晶子の大きさ、λ:測定X線波長(=0.15418nm、β:結晶子の大きさによる回折線の拡がり(ラジアン単位)、θ:回折線のブラッグ角、K:Scherrer定数(=0.94)))
Powder X-ray diffraction (XRD) measurement: X-ray diffraction (XRD) measurement of the obtained composite was performed using a commercially available X-ray diffraction apparatus (manufactured by Rigaku Corporation, trade name: MiniFlex600. FIG. It is a XRD pattern of the composite_body | complex (before washing | cleaning) obtained in Example 1. Fig. 3 shows the comparison of the change of the diffraction peak intensity of zinc oxide, 2-methylimidazole, and ZIF-8. Since the diffraction peak intensity of imidazole decreases and the diffraction peak intensity of ZIF-8 increases, the reaction between zinc oxide and 2-methylimidazole can be confirmed, and Fig. 4 shows the XRD of the complex after washing. Based on the diffraction pattern, the composite can be identified as a composite of composite particles of ZIF-8 and ZnO, and the size of the single crystal (crystallite) can be determined from the broadening of the diffraction peak. Evaluation and calculation by the formula of cherrer (Sheller) When produced in 48 hours, the average particle diameter (crystallite diameter) of zinc oxide in the composite particles is about 12 nm, and the average particle diameter (crystallite diameter) of ZIF-8 Was calculated to be about 25 nm.
D = Kλ / βcos θ (where D: crystallite size, λ: measured X-ray wavelength (= 0.15418 nm, β: broadening of diffraction line by crystallite size (radian unit)), θ: diffraction line Bragg angle, K: Scherrer constant (= 0.94)))

熱重量分析:市販の熱重量分析装置(島津製作所製、商品名:DTG−60H)を用いて、得られた複合体の熱重量(TG)分析を行った。図5は、実施例1で得られた複合体のTGチャートである。比較例として、溶液法(水)で調製したZIF−8単結晶を用いてTG分析を行った。ZIF−8は空気中、400−450℃で熱分解し、ZIF−8の約35%の質量の酸化亜鉛が生成する。各反応時間で得られた複合体のTGチャートに基づき、各複合体中でのZIF−8多結晶粒子と酸化亜鉛粒子との存在比を定量することができた。図6は、図5の結果に基づいて、製造時間と複合体中のZIF−8多結晶粒子の占める割合との関係を示したものである。 Thermogravimetric analysis: Thermogravimetric (TG) analysis of the obtained composite was performed using a commercially available thermogravimetric analyzer (manufactured by Shimadzu Corporation, trade name: DTG-60H). FIG. 5 is a TG chart of the composite obtained in Example 1. As a comparative example, TG analysis was performed using a ZIF-8 single crystal prepared by a solution method (water). ZIF-8 is thermally decomposed in air at 400-450 ° C. to produce zinc oxide having a mass of about 35% of ZIF-8. Based on the TG chart of the composite obtained at each reaction time, the abundance ratio of ZIF-8 polycrystalline particles and zinc oxide particles in each composite could be quantified. FIG. 6 shows the relationship between the production time and the proportion of ZIF-8 polycrystalline particles in the composite based on the results of FIG.

複合体の製造(粉砕混合)
100個のYTZボール(φ10mm、95%ZrO+HfO、5%Y)を充填した300mlのセラミックポットミル容器(93%Al、5%SiO)に8.1g(約100mmol)の酸化亜鉛(0.02μm)と4.1g(約50mmol)の2−メチルイミダゾールを入れ、卓上型ポットミル架台(増田理化工業社UBM-2)で100rpmにて回転、粉砕混合した。粉砕混合後、セラミックポットミル容器から複合体を取り出し、実施例1と同様にして、X線回折(XRD)測定を行った。図7は実施例2で得られた複合体のXRDパターンである。2−メチルイミダゾールはすべて反応し、消費されるため、回折ピークは観察されなかった。よって、2−メチルイミダゾールを除去するための洗浄工程を省略することができた。
Manufacture of composite (grinding and mixing)
8.1 g (about 100 mmol) in a 300 ml ceramic pot mill vessel (93% Al 2 O 3 , 5% SiO 2 ) filled with 100 YTZ balls (φ10 mm, 95% ZrO 2 + HfO 2 , 5% Y 2 O 3 ) ) Zinc oxide (0.02 μm) and 4.1 g (about 50 mmol) of 2-methylimidazole were added, and the mixture was rotated and ground and mixed at 100 rpm with a desktop pot mill mount (Masuda Rika Kogyo Co., Ltd. UBM-2). After pulverization and mixing, the composite was taken out from the ceramic pot mill container, and X-ray diffraction (XRD) measurement was performed in the same manner as in Example 1. FIG. 7 is an XRD pattern of the composite obtained in Example 2. Since all 2-methylimidazole reacted and was consumed, no diffraction peak was observed. Therefore, the washing process for removing 2-methylimidazole could be omitted.

複合体の製造(加熱静置)
0.81g(約10mmol)の酸化亜鉛(0.02μm)と0.41g(約5mmol)の2−メチルイミダゾールを50mlのテフロン容器に入れて密閉した。密閉したテフロン容器を100℃で48時間加熱静置した後、室温まで冷却し、テフロン容器から生成物を取り出し、複合体を約1.1g得た。実施例1と同様にして、X線回折(XRD)測定を行った。図8は実施例3で得られた複合体のXRDパターンである。2−メチルイミダゾールはすべて反応し、消費されるため、回折ピークは観察されなかった。よって、2−メチルイミダゾールを除去するための洗浄工程を省略することができた。
Manufacture of composite (heated still)
0.81 g (about 10 mmol) of zinc oxide (0.02 μm) and 0.41 g (about 5 mmol) of 2-methylimidazole were placed in a 50 ml Teflon container and sealed. The sealed Teflon container was heated and allowed to stand at 100 ° C. for 48 hours, then cooled to room temperature, and the product was taken out from the Teflon container to obtain about 1.1 g of a composite. In the same manner as in Example 1, X-ray diffraction (XRD) measurement was performed. FIG. 8 is an XRD pattern of the composite obtained in Example 3. Since all 2-methylimidazole reacted and was consumed, no diffraction peak was observed. Therefore, the washing process for removing 2-methylimidazole could be omitted.

複合体の電子顕微鏡観察
走査型電子顕微鏡観察:市販の走査型電子顕微鏡装置(日立ハイテク製、商品名:S−5000を用いて、加速電圧2kVにて、粒子径が0.02μm(20nm)の酸化亜鉛を用いた実施例1にて得られた複合体の電子顕微鏡観察を行った。測定結果を図9に示す。比較例として、溶液法(水)で調製したZIF−8単結晶の電子顕微鏡写真の像(田中俊輔ら、Chem. Lett.41, 1377, 2012)をあわせて示す。
Electron microscope observation of the complex Scanning electron microscope observation: Commercially available scanning electron microscope apparatus (manufactured by Hitachi High-Tech, trade name: S-5000, acceleration voltage 2 kV, particle size 0.02 μm (20 nm) The composite obtained in Example 1 using zinc oxide was observed with an electron microscope, and the measurement results are shown in Fig. 9. As a comparative example, the electron of ZIF-8 single crystal prepared by the solution method (water) An image of a micrograph (Shunsuke Tanaka et al., Chem. Lett. 41, 1377, 2012) is also shown.

酸化亜鉛の粒子径が複合体の形成に及ぼす影響
実施例3と同様にして、0.81g(約10mmol)の酸化亜鉛(−5μm)と0.41g(約5mmol)の2−メチルイミダゾールを50mlのテフロン容器に入れて密閉した。密閉したテフロン容器を100℃で48時間加熱静置した後、室温まで冷却し、テフロン容器から生成物を取り出した。実施例4と同様にして、反応後の生成物の走査型電子顕微鏡観察を行った。反応前後の電子顕微鏡の像を図10に示す。観察結果より、原料の酸化亜鉛の粒子が観察され、複合粒子が生成していないことが分かった。
また、実施例1と同様にして、X線回折(XRD)測定を行った。図11は−5μmの酸化亜鉛を用いて得られた反応後の生成物のXRDパターンである。原料の2−メチルイミダゾールの回折ピークが確認され、酸化亜鉛の粒子径が大きいときには、酸化亜鉛と2−メチルイミダゾールの反応が進行しないことを確認した。
Effect of Zinc Oxide Particle Size on Complex Formation In the same manner as in Example 3, 50 ml of 0.81 g (about 10 mmol) of zinc oxide (-5 μm) and 0.41 g (about 5 mmol) of 2-methylimidazole were used. And sealed in a Teflon container. The sealed Teflon container was heated and allowed to stand at 100 ° C. for 48 hours, then cooled to room temperature, and the product was taken out from the Teflon container. In the same manner as in Example 4, the product after the reaction was observed with a scanning electron microscope. The electron microscope images before and after the reaction are shown in FIG. From the observation results, it was found that the raw material zinc oxide particles were observed and composite particles were not formed.
Further, in the same manner as in Example 1, X-ray diffraction (XRD) measurement was performed. FIG. 11 is an XRD pattern of the product obtained after the reaction obtained using −5 μm zinc oxide. The diffraction peak of the raw material 2-methylimidazole was confirmed, and when the particle diameter of zinc oxide was large, it was confirmed that the reaction between zinc oxide and 2-methylimidazole did not proceed.

複合体の窒素ガス(N)に対する吸着能の測定
窒素吸着量の測定:市販の吸着測定装置(日本ベル(株)製、BELSORP−max)を用いて、窒素吸着量の測定を行った。測定は、得られた複合体をサンプル管に入れ、当該サンプル管を液体窒素中(77K)に浸した状態で行った。測定結果を図12に示す。図12は、実施例1で得られた複合体の吸着等温線(平衡圧力と窒素吸着量との関係)を示す。3時間、6時間、24時間、120時間、240時間で製造した場合、複合体はそれぞれ約460m/g、約670m/g、約1310m/g、約1290m/gのN表面積(ラングミュア)を有した。
比較例として、溶液法(水)で調製したZIF−8単結晶を用いて測定した。
上記結果より、上記実施例1にて様々な一定時間後に得られた各複合体について、窒素ガスの吸着量を調べた結果、24時間後に得られる複合体はZIF−8単結晶粒子と同程度の窒素ガス吸着量を示し、また120時間後と240時間後に得られた複合体はより高い窒素ガス吸着量を示した。なお、酸化亜鉛は窒素吸着能を有さないことが知られている。
Measurement of adsorption capacity of complex to nitrogen gas (N 2 ) Measurement of nitrogen adsorption amount: The nitrogen adsorption amount was measured using a commercially available adsorption measuring device (BELSORP-max, manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.). The measurement was performed in a state where the obtained composite was put into a sample tube and the sample tube was immersed in liquid nitrogen (77K). The measurement results are shown in FIG. FIG. 12 shows the adsorption isotherm (relationship between equilibrium pressure and nitrogen adsorption amount) of the composite obtained in Example 1. 3 hours, 6 hours, 24 hours, 120 hours, when produced in 240 hours, about 460 m 2 / g, respectively complex, about 670m 2 / g, about 1310m 2 / g, N 2 surface area of about 1290m 2 / g (Langmuir).
As a comparative example, measurement was performed using a ZIF-8 single crystal prepared by a solution method (water).
From the above results, as a result of examining the adsorption amount of nitrogen gas for each composite obtained after various fixed times in Example 1 above, the composite obtained after 24 hours is comparable to ZIF-8 single crystal particles. The composites obtained after 120 hours and 240 hours showed higher nitrogen gas adsorption. Zinc oxide is known not to have nitrogen adsorption ability.

複合体のローダミンBに対する吸着能の測定
1.0×10−5Mに調製したローダミンB水溶液20mlに実施例1にて6時間で製造した複合体を0.04gを加え、20℃、暗室で20分間静置し、ローダミンBの吸着実験を行った。市販の紫外可視分光高度計(UV)装置(島津製作所製、UV−2450)を用いて、ローダミンB水溶液の吸光度(吸収波長=554nm)を測定し、ローダミンBの濃度を算出した。比較例として、酸化亜鉛(0.02μm)と溶液法(水)で調製したZIF−8単結晶を用いて同様にして測定した。紫外可視分光高度計によるスペクトル測定結果を図13に示す。酸化亜鉛、溶液法(水)で得られるZIF−8単結晶、6時間で製造した複合体のローダミンB吸着量を下記表1に示す。6時間で製造した複合体中のZIF−8存在割合は約49%であるため、ZIF−8で換算した吸着量は9.6μmol/複合体gと算出された。上記結果より、本発明の複合体のローダミンBに対する吸着量の著しい増大を示した。
上記結果、複合体は、溶液法で得られるZIF−8単結晶粒子と比較してローダミンBに対する吸着量の著しい増大を示した。
Measurement of adsorptive capacity of complex to rhodamine B 0.04 g of the complex produced in Example 1 in 6 hours was added to 20 ml of rhodamine B aqueous solution prepared to 1.0 × 10 −5 M, and 20 ° C. in a dark room. The sample was allowed to stand for 20 minutes, and an adsorption experiment for rhodamine B was conducted. The absorbance (absorption wavelength = 554 nm) of the rhodamine B aqueous solution was measured using a commercially available ultraviolet-visible spectrophotometer (UV) apparatus (manufactured by Shimadzu Corporation, UV-2450), and the concentration of rhodamine B was calculated. As a comparative example, measurement was carried out in the same manner using ZIF-8 single crystal prepared by zinc oxide (0.02 μm) and a solution method (water). FIG. 13 shows the result of spectrum measurement using the UV-visible spectrophotometer. Table 1 below shows the amount of rhodamine B adsorbed on zinc oxide, a ZIF-8 single crystal obtained by a solution method (water), and a complex produced in 6 hours. Since the presence ratio of ZIF-8 in the complex produced in 6 hours was about 49%, the adsorption amount converted to ZIF-8 was calculated to be 9.6 μmol / g complex. From the above results, the amount of adsorption of Rhodamine B of the complex of the present invention was markedly increased.
As a result, the composite showed a marked increase in the amount of rhodamine B adsorbed compared to the ZIF-8 single crystal particles obtained by the solution method.

本発明で得られる複合体は、従来法では得られない多結晶型の複合粒子を含み、またガス(例えば、窒素ガス)および染料(例えば、ローダミンB)に対して極めて高い吸着能を有するなど、様々な用途の新たな機能性材料として利用することができ、例えばガス貯蔵、ガス分離、ガスセンサーデバイス、触媒等としても有用であり、工業的に利用価値が高い。また、本発明の乾式製造法は、環境負荷の低いクリーンな製造法であり、コストパフォーマンスが高く、大量生産に適しており、成形加工に優れた製造法であって、工業的に利用価値が高い。   The composite obtained by the present invention contains polycrystalline composite particles that cannot be obtained by a conventional method, and has a very high adsorbing ability for a gas (for example, nitrogen gas) and a dye (for example, rhodamine B). It can be used as a new functional material for various uses. For example, it is useful as a gas storage, gas separation, gas sensor device, catalyst, and the like, and has high industrial utility value. In addition, the dry production method of the present invention is a clean production method with low environmental impact, high cost performance, suitable for mass production, excellent production processing, and industrially useful. high.

Claims (9)

複合粒子の中心部に金属酸化物粒子および該金属酸化物粒子の外殻部にゼオライト様イミダゾレート構造体の多結晶型粒子を含有する複合粒子を含む複合体であって、
該金属酸化物粒子および該ゼオライト様イミダゾレート構造体中の金属が亜鉛およびコバルトからなる群から選ばれる金属であって、
該イミダゾレート配位子は置換基を有していてもよいイミダゾールまたはその誘導体由来のイミダゾレート配位子であって、ここで、該置換基は、C1〜6アルキル基、ハロゲン基及びニトロ基からなる群から選ばれる1〜3個の置換基であるか、またはイミダゾレート配位子上の4および5位の隣接する置換基が一緒になって、置換基を有していてもよい縮合環式の5もしくは6員の芳香族炭素環もしくは芳香族ヘテロ環を形成していてもよい、該複合体。
A composite comprising composite particles containing metal oxide particles in the center of the composite particles and polycrystalline particles of a zeolite-like imidazolate structure in the outer shell of the metal oxide particles,
The metal in the metal oxide particles and the zeolite-like imidazolate structure is a metal selected from the group consisting of zinc and cobalt,
The imidazolate ligand is an imidazolate ligand derived from imidazole which may have a substituent or a derivative thereof, wherein the substituent includes a C 1-6 alkyl group, a halogen group and a nitro group. 1 to 3 substituents selected from the group consisting of groups, or adjacent substituents at positions 4 and 5 on the imidazolate ligand may be combined to have a substituent. The complex, which may form a condensed 5- or 6-membered aromatic carbocyclic ring or aromatic heterocyclic ring.
該金属が亜鉛であって、該ゼオライト様イミダゾレート構造体がZIF−8である、請求項1記載の該複合体。   The composite of claim 1, wherein the metal is zinc and the zeolite-like imidazolate structure is ZIF-8. 該複合粒子中の金属酸化物粒子の存在比と、ゼオライト様イミダゾレート構造体の多結晶型粒子の総計との存在比がモル比で9:1〜2:8である、請求項1または2のいずれか記載の該複合体。   The abundance ratio of the metal oxide particles in the composite particles and the total number of polycrystalline particles of the zeolite-like imidazolate structure is 9: 1 to 2: 8 in molar ratio. The complex according to any one of the above. 該複合体が、複合粒子および金属酸化物粒子からなる複合体である、請求項1乃至3のいずれか1項記載の該複合体。   The composite according to any one of claims 1 to 3, wherein the composite is a composite comprising composite particles and metal oxide particles. 以下の工程を含む、請求項1乃至4のいずれか1項記載の複合体の製造方法;
1)金属酸化物とイミダゾールまたはその誘導体とをモル比が1:0.1〜1:5.0の割合で配合、混合する工程;および
2)i)該反応混合物を粉砕混合する工程;または、
ii)該反応混合物を加熱静置する工程。
The manufacturing method of the composite_body | complex of any one of Claims 1 thru | or 4 including the following processes;
1) a step of blending and mixing a metal oxide and imidazole or a derivative thereof in a molar ratio of 1: 0.1 to 1: 5.0; and 2) i) a step of grinding and mixing the reaction mixture; or ,
ii) A step of heating and standing the reaction mixture.
該金属酸化物が酸化亜鉛であり、そして該イミダゾールまたはその誘導体が2−メチルイミダゾールである、請求項5記載の製造方法。   The process according to claim 5, wherein the metal oxide is zinc oxide, and the imidazole or derivative thereof is 2-methylimidazole. 請求項1乃至4のいずれか1項記載の複合体を含有する、吸着剤。   An adsorbent containing the composite according to any one of claims 1 to 4. 気体、染料、または有機溶剤に対する、請求項7記載の吸着剤。   The adsorbent of Claim 7 with respect to gas, dye, or an organic solvent. ガス貯蔵、ガス分離、ガスセンサーデバイス、または不均一反応触媒のための、請求項1乃至4のいずれか1項記載の複合体の使用。   Use of a composite according to any one of claims 1 to 4 for gas storage, gas separation, gas sensor device or heterogeneous reaction catalyst.
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