基于氮唑羧酸类配体的MOFs材料的合成及性能研究

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金属有机框架化合物(MOFs)因其具有开放的金属位点、多变的结构、高比表面积、可修饰的功能位点及孔道结构,在气体的吸附和分离、催化、磁性以及荧光等方面均有良好的潜在应用价值。通过后合成修饰的方法可以通过引入功能性基团形成复合材料,从而改善MOFs材料的性能。含氮唑羧酸类有机物拥有多变的配位方式,在构筑新型MOFs结构方面具有应用广泛。本论文中,我们设计合成了同时含有羧基、吡唑环和联苯构造单元的有机配体4’-(3,5-二甲基-1-氢-吡唑-4-)[1,1’-联苯]-4-羧酸(HL),并以此为基础,探索了该配体在MOFs合成和后修饰方面的应用。主要研究结果如下:1.设计合成了具有荧光性质的新型有机配体4’-(3,5-dimethyl-1-hydro-pyrazol-4-yl-)[1,1’-biphenyl]-4-carboxylic acid(HL),在激发光波长为360nm时,表现出最佳荧光发射,其最强荧光发射峰位于401nm。在水热条件下,利用该化合物作为柔性配体,以过渡金属Co2+为金属中心,合成了一个具有一维菱形孔道和三重互穿结构的二维MOF材料(Co L2)。该Co L2具有反铁磁性以及良好的热稳定性和水稳定性。进一步的,将金属中心换做Cu2+,水热合成了一个二维层状MOF材料Cu L2(H2O)。2.通过后合成修饰的方法,将配体HL引入到二维片层状锆基MOF材料Z r6(μ3-O)4(μ3-OH)4(HCO26(BTB)2(BTB=benzene-1,3,5-tribenzoate,简称Zr-MOL)中。L-通过取代Zr-MOL的次级结构单元Zr6O4(OH)4(HCO26中的部分甲酸,与中心离子Zr形成配位。紫外-可见吸收光谱和荧光光谱分析表明:修饰后的Zr-MOL-L的光学性能发生了改变。其吸收范围从紫外光区范围拓宽到了可见光区,且吸收峰强度大幅增强,经后修饰的Zr-MOL-L的最佳激发波长和最佳发射波长均发生了红移。紫外光谱、X射线光电子能谱、理论计算和实验表明Zr-MOL具有光催化性能。在光催化CO2还原实验中,分别将未修饰的Zr-MOL和修饰后的Zr-MOL-L作为光催化剂,研究了紫外-可见光光催化CO2还原生成CO的过程。实验证明,Zr-MOL-L催化CO2还原生成CO的速率比Zr-MOL提升了3.6倍。通过调控后修饰物L-的浓度,发现当有机物与Zr-MOL的摩尔比为0.75时,Zr-MOL-L的光催化CO2还原性能最强。我们还探索了其光催化降解模拟污染物——有机染料罗丹明B的性能,修饰后的Zr-MOL-L光催化降解性能显著提升。我们还通过加入异丙醇(IPA)、对苯醌(BQ)和乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)三种不同的捕获剂来确定该光催化降解反应过程中的反应机理。结果表明:超氧自由基是光催化降解染料的主要活性物种,空穴也参与了光催化降解过程。
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