基于[Fe3]金属簇构筑的刚性羧酸基金属有机骨架的设计、合成及性能研究

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金属有机骨架(MOFs)是一类具有高的比表面积以及可调的孔径的多孔晶体材料。通过调节配体或者金属盐的种类,MOFs材料可以表现出多种多样的晶体结构与性质,能够应用于气体吸附与分离、传感、催化、药物传送以及磁学材料等领域。与其它多孔材料相比(例如沸石或者碳材料),通过改变有机连接子中的基团,能够调节MOFs孔表面的化学性能。本文中,我们选择以μ3-O连接的三核铁簇作为金属源,通过调节配体(将C2对称的刚性羧酸配体替换为C3对称的刚性羧酸配体)、温度以及pH值,成功制备了五种新颖的Fe-MOFs,实现了从单一次级构筑单元(SBU)到双SBUs的转变,同时对这些化合物的结构以及稳定性、气体吸附性能、磁性进行了系统的研究。具体研究内容包含以下两个工作:(1)在溶剂热条件下,使用预合成的三核铁簇Fe3(μ3-O)作为金属源分别与C2对称的刚性羧酸配体4,4’-联苯二甲酸(4,4’-H2bpdc)、1,4-对苯二甲酸(H2BDC)反应,成功的制备了两个新颖的含有单一SBUs的三维(3D)微孔Fe-MOFs,[Fe3III(μ3-O)(4,4’-bpdc)3(DMA)(H2O)2?CH3COO?3DMA?CH3CN]n(1),[FeIII(BDC)(H2O)2?COOH?H2O]n(2)。在化合物1中,4,4’-bpdc2-配体桥连[Fe3(μ3-O)(CO26(DMA)(H2O)2]SBU形成具有19.18×14.64?2孔道的3D网络。化合物1显示出独特的以不同方向进行穿插的二重互穿模式,表现出优异的化学稳定性。N2吸附测试表明化合物1表现出可逆的I型吸附等温线模型,说明化合物1中具有微孔结构。BET比表面积为1638 m2 g-1,在1 bar、77 K条件下,其N2吸附量为661 cm3 g-1。化合物2中的单核Fe由H2O分子桥连形成1D链状SBU。BDC2-配体进一步桥连SBUs,形成具有菱形孔道的3D网络,拓扑类型为pcu。化合物2具有良好的热稳定及化学稳定性。(2)在以上工作的基础上,采用C3 3-连通的1,3,5-均苯三甲酸(H3TMA)刚性配体代替C2 2-连通的配体4,4’-H2bpdc,通过对溶剂、pH值的调节成功得到了三种均具有两种不同SBUs的3D微孔Fe-MOFs,[Fe2II(TMA)2(H2O)?[(CH32NH2]2]n(3),[Fe5II(TMA)3(CH3COO)2(DMF)2?[(CH32NH2]?DMF?H2O]n(4),[Fe7IIFeIII(OH)4(TMA)5(H2O)2[(CH32NH2]2?4DMF]n(5)。经典轮浆状的二核Fe2-SBU和单核铁SBU通过TMA3-配体桥连形成具有3D多孔网络结构3。棒状的二核Fe簇通过CH3COO-离子桥连形成独特的1D正弦链SBU,然后进一步通过TMA3-连接子连接轮浆状的Fe2-SBU形成3D结构4,表现出优异的稳定性。在化合物5中,以μ3-OH-桥连的Fe3簇进一步通过连接子TMA3-中的羧酸基团桥连形成圆盘状的Fe7-SBU,Fe7-SBU通过连接子TMA3-与单核铁SBU连接形成了具有两种不同孔道的3D稳定的网络结构。气体吸附测试证实了化合物4和5为微孔结构。磁性测试表明化合物4和5中存在反铁磁耦合。
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