铜改性金属有机骨架材料MIL-101的研究文献综述
2020-04-08 16:39:35
随着超分子配位化学和计算化学的发展,新型多孔材料开始受到学术界的广泛重视,金属-有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)是近十几年发展起来的一类新型多孔材料。由于具有高比表面积、大的孔体积以及化学性质稳定等特点,这类材料在吸附脱硫[1]、手性催化、气体储存与分离及环境有害气体吸附等方面的应用前景得到广泛研究。金属-有机骨架(MOFs)通常是指无机的金属中心(金属离子或金属簇)与有机配体通过共价键或离子-共价键相互联接,自组装形成的具有周期性网络结构的晶体多孔材料[2]。与传统的硅铝分子筛相比,MOFs材料具有孔隙率和比表面积高、微孔尺寸和结构可调以及结构和功能多样性等特点,在气体储存、分离以及工业催化方面具有良好的应用前景[3]。由于选用不同的金属离子和有机配体以及多种配位方式,可制备出结构多样化、孔径不同、内部环境功能化的多孔材料[4]。相比于传统的活性碳和沸石类多孔材料金属有机骨架材料,具有高度有序的孔结构、孔尺寸可调、孔穴环境功能化以及更高的比表面积和孔体积等[5]。
早在1706年,第一个具有三维网状结构的化合物普鲁士蓝就已经被发现,然而它的结构直到1977年才被Ludi等科学家们[6]确定。1959年,Kinoshita等[7]报道了bis(adiponitrilo)copper(I)nitrate的晶体结构,它是由过渡金属络合物[Cu(adiPonitrile)2]和硝酸根阴离子合成的,这便是现在所谓的金属有机骨架材料。”配位聚合物”一词最早在1964年出现,它的合成策略是通过分子模块的方法来构筑得到预想的骨架结构。
20世纪90年代中期到90年代末,MOFs的合成有了新突破。
1989年,Robson[7]为配位聚合物的发展方向做出开创性的工作,并提出构筑配位聚合物的基本设想,而且成功地合成了具有金刚石拓扑的亚铜氰基配位聚合物,同时预测,配位聚合物可以形成比无机沸石分子筛更大的孔道。
1994年日本的Fujita[6]用硝酸铬与4,4'-联吡啶(4,4'-bipy)在H2O/EtOH混合溶剂中合成了具有二维方格网络结构的配位聚合物 [Cd(4,4'-bipy)2(H2O)2]#183;(NO3)2,这是第一个稳定带有阴离子的阳离子骨架化合物,而且,具有很高催化活性,能促进氰基甲硅烷基化反应。
1995年,Yaghi等[7]提出选择合适刚性有机配体与金属离子构筑微孔材料,并合成了由均苯三甲酸与Co构成的化合物。
1999年,美国的Yaghi研究小组[8]用硝酸锌和对苯二甲酸按适当配比,得到由锌离子和对苯二甲酸(H2BDC)构筑的具有简单六方体连接网络的金属有机骨架化合物MOF-5,(ZnO4(BDC)3#183;(DMF)8(C6H5Cl)。MOF-5具有较好的化学及机械稳定性,Langmuir比表面积为2900 m2/g,材料可稳定存在到300 ℃,可以吸附氢气、氮气、氩气和多种有机溶剂分子。其孔径和比表面积超过了传统的分子筛,成为MOFs发展史上的一个里程碑[9]。但是不幸的是MOF-5的结构稳定是相对的,骨架结构若遇到水会因为和羟基发生作用而使骨架结构改变。
同年香港大学的Chui等[9]使用硝酸铜和均苯三甲酸在50%乙醇、50%去离子水溶液中,180 ℃下反应12 h,得到[Cu3(TMA)2(H2O)3]n(HKUS-1),其是具有孔径为9x9 Aring;的正方形的三维网络结构。
2002年,Yaghi研究小组[10]又以具有CaB6拓扑的MOF-5为原型,在不改变八面体次级结构单元ZnO4(CO2)6簇的情况下,通过修饰和拓展有机官能团对苯二甲酸(H2BDC),成功地构筑了孔径跨度从3.8 Aring;到28.8 Aring;的IRMOF系列类分子筛材料。与MOF-5相同,IRMOF系列金属有机化合物都具有良好的稳定性,当客体分子移走后仍能保持晶体的完好。其中IRMOF-8、-10、-12、-14、-16的孔径尺寸超过20 Aring;,达到了介孔范围(2~20 nm)。
2004年,Yaghi小组[11]又在IRMOF系列的基础上成功合成出MOF-177,结构中的85%的体积被溶剂分子所占据,氮气吸脱附显示其朗格缪尔比表面积达到了4500 m2/g,在吸附染料、溴苯等方面性能优越。