一种超声辅助合成锆基金属有机骨架材料的方法及其产品与流程

本发明涉及金属有机骨架材料制备技术领域，具体涉及一种超声辅助合成锆基金属有机骨架材料的方法及其产品。

背景技术：

金属有机骨架材料(metal-organicframeworks，mofs)以金属离子或金属簇为中心由对苯二甲酸、均苯三甲酸等多官能团的功能化有机配体构筑而成，是具有规则纳米孔道三维周期性的网格结构多孔材料。它具有比表面积大、晶体结构可裁剪性、孔径尺寸可调性等优点，是近年来得到迅速发展的一类新型多孔晶体材料。

mofs具有较好的化学稳定性、热稳定性、多孔结构，具有广泛的应用领域。锆基金属有机骨架uio-66(universityofoslo)，是具有八面体笼子结构和的四面体结构面心立方晶体结构的多孔材料，它是由六核zr氧代-羟基簇zr6o4(oh)4和对苯二甲酸(bdc)共同构成。uio系列mof以羧酸类化合物为有机配体，因为羧基的负电荷密度大，所以容易与金属阳离子进行配位，所以是一类稳定性最好的mof。

目前uio-66的合成大都采用溶剂热法，耗时长，收率低，反应温度较高，对其良好的性质难以进行工业化应用。还有一些方法包括分层扩散法等，会存在反应时间长达数周甚至数月，产物颗粒较大且不均一的缺点。近年来，超声技术在新材料合成方面的研究十分活跃。

超声波是一种周期性的机械振动，如果附近有坚固的表面，则会产生气蚀，它会腐蚀，活化和清洁表面。在苛刻的条件和强大的剪切力的作用下，会产生自由基，发生键断裂以及导致分子以激发模式建立。超声空化处理所引发的特殊的物理、化学环境为人们制备纳米材料提供了重要的途径。超声化学合成的主要目标是设计一种快速，环保，节能，易于使用的方法。

李莹等人在《金属有机骨架材料(mofs)的合成及应用研究》(《广州化工》，2016年，44卷，15期，24～27页)中提到：超声法能有效地分离纯相材料，短时间内生产均匀大小和形态的颗粒，适合于生产纳米级mofs材料。在超声强声级的作用下，液体内部会形成局部气体，或形成蒸气空穴并破灭，造成局部高温高压，导致快速受热和冷却，在短时间内产生微晶。该方法也促使反应的时间反应温度大大降低，但目前尚处于探索阶段。

因此，目前虽然制备锆基金属有机骨架化合物的合成方法很多，但通过超声波方法高效率合成uio-66的方法尚未报道，研发一种超声辅助合成锆基金属有机骨架材料的方法具有重要意义。

技术实现要素：

针对本领域存在的不足之处，本发明提供了一种超声辅助合成锆基金属有机骨架材料的方法，条件温和、效率高且收率高，制备得到的锆基金属有机骨架材料粒径均一、比表面积大，并且热稳定性和化学稳定性良好。

一种超声辅助合成锆基金属有机骨架材料的方法，包括：将锆盐、有机配体溶于n,n-二甲基甲酰胺和冰醋酸的混合液中，60～90℃下进行超声处理得到粗产物，所述粗产物经后处理得到所述锆基金属有机骨架材料。

本发明技术方案的关键点在于反应温度和超声的双重制约，只有在60～90℃下配合超声才可得到粒径均一、比表面积大，并且热稳定性良好的目标产物。

本发明中n,n-二甲基甲酰胺为有机溶剂。所述锆盐可以是四氯化锆等可溶性锆盐，有机配体可以是对苯二甲酸。

作为优选，所述锆盐、有机配体和冰醋酸的摩尔比为1～5:1:60～100。

作为优选，将锆盐、有机配体分别溶于n,n-二甲基甲酰胺和冰醋酸的混合液后再进行混合搅拌均匀，然后进行超声处理。锆盐和有机配体分别溶解，然后以溶液形式混合可以使得混合更充分，分散性更好，得到的目标产物粒径更均一、比表面积更大。

进一步优选，所述搅拌的时间为3～10min。

作为优选，所述超声处理的频率为18～22khz，功率为450～650w，有效超声时间为2～3h。较高的超声频率和超声功率有利于产物粒径均一、比表面积的提高。足够的有效超声时间亦是本发明的关键因素之一，以便得到粒径均一、大比表面积的目标产物。

作为优选，所述超声处理为间歇式超声处理。连续式超声处理会因时间过久使机器产生热效应，一方面容易损坏超声设备，不利于实验的长期进行和重复使用，另一方面容易导致超声时温度难以准确控制。

进一步优选，所述间歇式超声处理的一个周期内，超声时间为1～3s，间歇时间为1～3s。

作为优选，所述超声处理为杆式超声处理。相比于水浴超声处理，杆式超声处理可以根据输出功率和待超声溶液体积控制超声能量密度，可进行更高强度的超声作业，从而使得产物的粒径更加均一、比表面积大。

作为优选，所述后处理包括：将所述粗产物冷却后离心分离、洗涤，然后70～200℃下真空干燥12～24h。

本发明还提供了所述的超声辅助合成锆基金属有机骨架材料的方法制备得到的锆基金属有机骨架材料。

所述的锆基金属有机骨架材料粒径均一、比表面积大，并且热稳定性良好。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：

(1)本发明的超声波合成法降低了反应温度，缩短了结晶时间，具有操作简单，反应条件温和，环境友好，成本低，反应收率高等优势，易于实现工业化生产。

(2)按照本发明方法超声合成的锆基金属有机骨架材料粒径均一、比表面积大，并且热稳定性和化学稳定性良好，可应用于气体吸附、磁学、光学以及催化等领域。

附图说明

图1为实施例1合成的uio-66的粉末x射线衍射图谱；

图2为实施例1合成的uio-66的扫描电子显微镜照片；

图3为实施例1合成的uio-66和传统溶剂热法合成的uio-66的热失重曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1

(1)在烧杯内加入四氯化锆(600mg，2.57mmol)、对苯二甲酸(86.25mg，0.519mmol)、n,n-二甲基甲酰胺(40ml)和冰醋酸(2ml)，室温下搅拌3min，放入100ml的玻璃超声管中；

(2)将超声管放入温度为80℃的水浴锅内，用超声波jy92-iidn型装置的6mm探头伸入超声管中的液体液面下2cm，对混合液进行超声处理，频率为20khz，功率为540w，间歇式作用下反应2h(指有效超声时间)，其中超声波间歇式作用方式为开2s，关2s，如此循环，得到粗品uio-66；

(3)将得到的粗品uio-66冷却至室温后离心，将沉淀物用n,n-二甲基甲酰胺离心洗涤3次，离心分离后，再将沉淀物分散于无水甲醇中，离心洗涤3次；

(4)将离心分离后的产物放入真空干燥箱中，在真空条件下90℃干燥12h，冷却至室温后，得到锆基金属有机骨架材料uio-66。

本实施例合成的uio-66的粉末x射线衍射图谱如图1所示。本实施例超声合成法得到的uio-66xrd图谱出峰位置与uio-66标准模型相同，证明二者结构相同，本实施例得到了目标结构的产物。此外，图1中本实施例合成的uio-66xrd图谱各衍射峰出峰尖锐、半峰宽小，说明产物结晶程度良好，粒径小。

本实施例合成的uio-66的形貌如图2所示，呈立方体型，颗粒尺寸约为50nm，且大小均一。

本实施例合成的uio-66的热稳定性由tga分析测定，结果如图3所示。可以看到，本实施例超声合成法得到的uio-66在各温度下失重均明显小于传统溶剂热法合成的uio-66(对比例1)，说明本实施例方法合成的uio-66具有良好的热稳定性。

实施例2

(1)在烧杯内加入四氯化锆(600mg，2.57mmol)、对苯二甲酸(86.25mg，0.519mmol)、n,n-二甲基甲酰胺(40ml)和冰醋酸(2ml)，室温下搅拌3min，放入100ml的玻璃超声管中；

(2)将超声管放入温度为80℃的水浴锅内，用超声波jy92-iidn型装置的6mm探头伸入超声管中的液体液面下2cm，对混合液进行超声处理，频率为20khz，功率为270w，间歇式作用下反应3h(指有效超声时间)，其中超声波间歇式作用方式为开2s，关2s，如此循环，得到粗品uio-66；

(3)将得到的粗品uio-66冷却至室温后离心，将沉淀物用n,n-二甲基甲酰胺离心洗涤3次，离心分离后，再将沉淀物分散于无水甲醇中，离心洗涤3次；

(4)将离心分离后的产物放入真空干燥箱中，在真空条件下90℃干燥12h，冷却至室温后，得到锆基金属有机骨架材料uio-66。

本实施例合成的uio-66的bet比表面积为1551m²/g，而传统溶剂热法合成的uio-66(对比例1)的bet比表面积仅为1125m²/g。可见，本实施例方法合成的uio-66具有更大的比表面积。

实施例3

(1)在烧杯内加入四氯化锆(800mg，3.43mmol)、对苯二甲酸(115mg，0.69mmol)、n,n-二甲基甲酰胺(40ml)和冰醋酸(1.726ml)，室温下搅拌3min，放入100ml的玻璃超声管中；

(2)将超声管放入温度为90℃的水浴锅内，用超声波jy92-iidn型装置的6mm探头伸入超声管中的液体液面下2cm，对混合液进行超声处理，频率为20khz，功率为630w，间歇式作用下反应2h(指有效超声时间)，其中超声波间歇式作用方式为开2s，关2s，如此循环，得到粗品uio-66；

(3)将得到的粗品uio-66冷却至室温后离心，将沉淀物用n,n-二甲基甲酰胺离心洗涤3次，离心分离后，再将沉淀物分散于无水甲醇中，离心洗涤3次；

(4)将离心分离后的产物放入真空干燥箱中，在真空条件下90℃干燥12h，冷却至室温后，得到锆基金属有机骨架材料uio-66。

对比例1

在聚四氟乙烯反应釜内衬中内加入四氯化锆(600mg，2.57mmol)、对苯二甲酸(86.25mg，0.519mmol)、n,n-二甲基甲酰胺(40ml)和冰醋酸(2ml)，室温下搅拌3min，放入120℃的烘箱中反应24h，得到粗品uio-66，将其冷却至室温后离心，留下沉淀物。将沉淀物用n,n-二甲基甲酰胺离心洗涤3次，离心分离后，再将沉淀物分散于无水甲醇中，离心洗涤3次。将离心分离后的产物放入真空干燥箱中，在真空条件下90℃干燥12h，冷却至室温后，得到的产物即为传统溶剂热法制得的uio-66。

对比例2

(1)在烧杯内加入四氯化锆(600mg，2.57mmol)、对苯二甲酸(86.25mg，0.519mmol)、n,n-二甲基甲酰胺(40ml)和冰醋酸(2ml)，室温下搅拌3min，放入100ml的玻璃超声管中；

(2)将超声管放入温度为50℃的水浴锅内，用超声波jy92-iidn型装置的6mm探头伸入超声管中的液体液面下2cm，对混合液进行超声处理，频率为20khz，功率为270w，间歇式作用下反应3h(指有效超声时间)，其中超声波间歇式作用方式为开2s，关2s，如此循环，无法得到uio-66。

对比例3

(1)在烧杯内加入四氯化锆(600mg，2.57mmol)、对苯二甲酸(86.25mg，0.519mmol)、n,n-二甲基甲酰胺(40ml)和冰醋酸(2ml)，室温下搅拌3min，放入100ml的玻璃超声管中；

(2)将超声管放入温度为80℃的水浴式超声清洗锅内，用超声波yt0410型装置对混合液进行超声处理，频率为40khz，功率为270w，连续作用下反应3h，无法得到uio-66产物。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。