[发明专利]一种层柱型金属有机框架材料及其制备方法及用途

说明书

技术领域

本发明涉及金属有机框架材料合成技术领域，具体涉及一种基于3,7-二羟基萘-2,6-二羧酸金属有机框架材料作为气体选择性分离方面的应用。

背景技术

金属有机框架(MOFs)是一类由金属离子或簇与有机配体通过配位键组装形成的高度有序的周期性框架材料，具有良好的可设计性及可裁剪性，独特的光、电、磁和吸附等物理化学性质，因而受到人们的广泛关注。参见：Nandasiri,M.I.；Jambovane,S.R.；McGrail,B.P.；Schaef,H.T.；Nune,S.K.Coord.Chem.Rev.2016,311,38-52；Nandi,S.；Luna,P.D.；Thomas,D.D.；Rother,J.；Liu,M.；Buchanan,W.；Hawari,A.I.；Woo,T.K.；Vaidhyanathan,R.Sci.Adv.2015,1,1-9。由于全球气候的变化，温室气体CO₂的大量排放已成为急需解决的问题，作为一种新型的多孔材料，MOFs具有高孔隙率、均匀的孔径、高比表面积、孔径可调等特性对CO₂的选择性吸附分离具有良好的效果。与传统的活性炭、分子筛等多孔材料相比，MOFs材料可以通过对有机配体的合理设计及金属中心/金属簇的选择进行定向合成，从而调控对不同气体的分离效果。目前主要通过开放的金属位点、引入极性的官能团以及控制合适的孔道尺寸来增强框架对某些特定气体的相互作用。参见：Millward,A.R.；Yaghi,O.M.J.Am.Chem.Soc.2005,127,17998-17999.Vaidhyanathan,R.；Iremonger,S.S.；Shimizu,G.K.；Boyd,P.G.；Alavi,S.；Woo,T.K.Science.2010,330,650-653.Du,L.；Lu,Z.；Zheng,K.；Wang,J.；Zheng,X.；Pan,Y.；You,X.；Bai,J.J.Am.Chem.Soc.2013,135,562-565；Chen,Q.；Chang,Z.；Song,W.C.；Song,H.；Song,H.B.；Hu,T.L.；Bu,X.H.Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,11550.

发明内容

本发明的目的在于层柱型金属有机框架材料对气体的吸附分离方面的性能研究，提供一种金属有机框架材料，同时提供了一种该金属有机框架材料的制备方法。该化合物具有菱形和方形孔道的三维结构，其结构具有相对较高的化学稳定性和热稳定性，对CO₂/N₂和CO₂/CH₄气体的分离效果较好，是一种比较理想的气体分离材料，在材料科学领域具有很好的应用前景。

本发明的技术方案：

一种层柱型金属有机框架材料，化学式为C₅₁H₂₂N₈O₁₄Zn₂，以3,7-二羟基萘-2,6-二羧酸为主配体，4,4'-联吡啶为辅助配体，采用溶剂热法，溶剂为甲醇和N,N-二甲基甲酰胺混合溶液，合成三维层柱结构。在此化合物中，锌离子为五配位构型，同三个3,7-二羟基萘-2,6-二羧酸配体中的羧基氧原子以及两个不同4,4'-联吡啶配体中的氮原子配位。该化合物中来自不同主配体上的三个羧基分别与两个锌离子构成二核的次级构筑单元，进一步形成平面，再由4,4'-联吡啶作为支柱连接构成三维层柱结构。该三维结构在a、b、c轴方向上均存在一维孔道，并且在孔道中填充着二甲胺离子以及水分子，二甲胺离子在该化合物中起到平衡电荷的作用。去除孔道中的溶剂分子后，PLATON程序计算结果表明孔隙率为26.7％。其拓扑结构为pcu型拓扑结构。该金属有机框架材料晶体属于正交晶系，Pcca空间群，晶胞参数分别为：α＝β＝γ＝90°；配位骨架的分解温度为280℃。

该金属有机框架材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将有机配体3,7-二羟基萘-2,6-二羧酸和4,4'-联吡啶，以及六水合硝酸锌置于装有甲醇和N,N-二甲基甲酰胺混合溶剂的10ml玻璃瓶中，所述混合溶剂中甲醇和N,N-二甲基甲酰胺的体积比为3：1，混合均匀；

2)将上述玻璃瓶密封后置于100℃的烘箱中，进行恒温溶剂热反应，反应72小时后，即可得到淡黄色长条状晶体；

3)将上述淡黄色长条状晶体用N,N-二甲基甲酰胺和甲醇洗涤、干燥后即可制得该金属有机框架材料。