砷钨多酸稀土衍生物的合成、结构及光磁性研究

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多酸(POM)是一种结构多样、具有纳米尺寸的金属氧簇,由于其拥有富氧性表面,能够提供孤对电子与稀土离子配位,从而构筑成结构丰富的多酸基稀土衍生物。稀土离子大多具有强的自旋轨道耦合、高的磁各向异性和独特的发光行为,在磁性、光学等领域具有潜在的应用前景。因此,多酸基稀土衍生物兼具多酸组分和稀土离子的优点,例如氧化还原性、水溶性、高热稳定性、结构多样性、长荧光寿命等,这些特性使其在催化、医药、电化学、光学、磁性等领域具有潜在的应用价值和广阔的应用前景。根据文献调研发现,目前关于多酸基稀土衍生物光、磁性及其应用的研究,还有巨大的探索空间,因此本文利用[As2W19O67(H2O)]14-前驱体、稀土离子和有机羧酸基团在水溶液中反应,通过调控反应物的化学计量比、有机羧酸的种类、反应体系的p H值和温度等条件,合成了三种类型的多酸基稀土衍生物,并对它们的光、磁性能及其应用进行了探究。(1)以有机羧酸、稀土离子与K14[As2W19O67(H2O)]前驱体反应,合成了两例DL-苹果酸修饰的砷钨酸基稀土衍生物K20Li2[Er3(μ3-OH)(H2O)8(As W9O33)(As W10O35(DL-mal))]2·51H2O(1),K20Li2[Y3(μ3-OH)(H2O)8(As W9O33)(As W10O35(DL-mal))]2·47H2O(2)。结构分析表明,三个稀土离子通过四个氧原子和一个μ3-OH形成{Ln3}三角形簇,两个缺位阴离子[As W9O33]9-和[As W10O36]9-通过{Ln3}连接形成一个“三明治型”结构单元,继而通过两个DL-苹果酸配体连接形成中心对称的二聚阴离子[Ln3(μ3-OH)(H2O)8(As W9O33)(As W10O35(DL-mal))]222-。磁性研究表明化合物1表现出磁场诱导的两步磁弛豫过程,慢弛豫过程可能来自于分子内的磁相互作用,而快弛豫过程可能来自于分子间的偶极-偶极相互作用,该偶极-偶极相互作用由同构的抗磁性Y掺杂的化合物K20Li2[Er0.15Y2.85(μ3-OH)(H2O)8(As W9O33)(As W10O35(DL-mal))]2·44H2O(3)的磁性研究结果所证实。(2)我们选择草酸作为有机羧酸配体、K14[As2W19O67(H2O)]作为前驱体和稀土离子反应,合成了一系列草酸桥连的砷钨酸基稀土衍生物K17Na2H5[{(As2W19O67(H2O))Ln(H2O)2}2(C2O4)]·50H2O(Ln=Sm,Pr,Ce,Nd,Nd0.5Y0.5,Eu,Tb,Eu0.01Tb0.99,Eu0.04Tb0.96,Eu0.1Tb0.9,Eu0.2Tb0.8)(4-14)。该系列化合物结构是由两个稀土离子分别嵌入到双缺位的[As2W19O67(H2O)]14-阴离子的缺位位置,然后通过一个草酸配体连接成二聚阴离子[{(As2W19O67(H2O))Ln(H2O)2}2(C2O4)]24-。我们研究了该系列化合物的荧光行为,化合物4-14的荧光光谱均展现自身的稀土特征发射峰,通过化合物4证明了砷钨酸盐能够敏化稀土离子发光;另外还探究了化合物9的液体荧光行为及其应用,发现化合物9可以作为荧光探针,在水溶液中能够很好的检测到Ba2+离子,其检出限为0.0105 m M。磁性研究表明化合物7还具有慢驰豫行为,其有效能垒为73.27(2)K。(3)以2,3-吡嗪二羧酸、稀土离子和K14[As2W19O67(H2O)]前驱体在水溶液中合成了四例有机-无机杂化的砷钨多酸基稀土衍生物K18H46[Ln3(H2O)27(pzdc)2As3W30O113]2·80H2O(Ln=Ln,Ce,Pr,Nd)(15-18),并利用X-射线单晶衍射、X-射线粉末衍射、热重曲线、红外光谱、拉曼光谱、元素分析等表征手段对该系列化合物进行结构表征。结构研究表明,三个[{B-α-As W9O33]9-通过两个{WO6}和一个{WO5N}八面体连接成三角形[As3W30O113]27-阴离子,[Ln4(H2O)(C6N2O4)2]8+离子连接两个[As3W30O113]27-阴离子,两个[Ln(H2O)8(C6N2O4)]+离子分别连接在两个[As3W30O113]27-阴离子上。化合物15-18的荧光研究表明:化合物15和16仅显示了砷钨酸盐簇的发射光谱,而化合物17和18展现所包含稀土离子的特征发射峰。磁性研究表明化合物16和18中Ce3+离子之间和Nd3+离子之间存在分子内弱铁磁耦合作用,以及Ce3+离子和Nd3+离子存在磁各向异性和/或处于低激发态。
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