一种用于检测氧化气体的金属有机骨架材料的制备方法与流程

本发明涉及气体传感技术领域，尤其涉及一种用于检测氧化气体的金属有机骨架材料的制备方法。

背景技术：

气体传感器广泛用于监测不同气体的浓度，例如煤矿中的甲烷或一氧化碳，以便使用便携式设备进行个人防护。理想的传感器应该灵敏且稳定，足以在环境条件下工作，并且还能产生响应时间短的信号，无需其他设备即可轻松感知，即所谓的无线气体传感器。传感信号的最简单、最强大的手段之一是通过材料颜色的可见变化。此外，还需要不依赖电源就可以独立使用。

nox（亚硝气）是一氧化氮（no）和二氧化氮（no2）的通称，它们是通常由机动车辆和工业和家庭燃烧过程释放到大气中的有毒气体。因此，对nox气体的检测和监测具有重要的意义，许多nox气体传感器，如金属氧化物半导体、固体电解质、导电聚合物（如聚吡咯和聚苯胺）等已被广泛研究。然而现有的亚硝气检测方法需要依赖电源而不能独立使用以及无法通过简单的颜色变化达到可视化的效果。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于检测氧化气体的金属有机骨架材料的制备方法，为了检测氧化气体，本发明选择在金属有机骨架材料中复合二氢-1，2，4，5-四嗪单元，它可以容易地被氧化成1，2，4，5-四嗪。氧化还原反应时的显著特征是会发生急剧的颜色变化，该氧化还原可逆，可以对微量的氧化气体（如亚硝气）进行快速响应。

本发明的具体技术方案为：一种用于检测氧化气体的金属有机骨架材料的制备方法，包括以下步骤：

1）按摩尔比1.5:1-3:1分别称取4-氰基吡啶和水合肼并混合于反应容器中，在30-80℃下搅拌回流反应4-8h；抽滤得到橙黄色固体，在乙醇与水体积比为0.5-1.5:1的混合溶剂中重结晶并洗涤后得到橙黄色粉末二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪，备用。

2）按40-50mg/30-40ml的比例将二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪溶解于甲醇中。

3）将所得反应物在搅拌条件下缓慢滴入六氟硅酸铜水溶液；所得混合溶液在25-85℃下反应8-24h，过滤得到橙黄色粉末。

4）用甲醇冲洗后得到四嗪功能化的金属有机骨架材料。

二氢-1，2，4，5-四嗪单元可以容易地被氧化成1，2，4，5-四嗪，这种氧化还原反应的显着特征是急剧的颜色变化，因为1，2，4，5-四嗪单元是粉红色而二氢-1，2，4，5-四嗪单元是橙黄色。因此将二氢-1，2，4，5-四嗪与金属有机骨架材料复合后所得的四嗪功能化的金属有机骨架材料不仅具有高孔隙率，而且在氧化还原反应会中表现出橙黄色到粉红色的金属有机骨架材料的可逆颜色变化，可以对微量的亚硝气进行快速响应。

需要说明的是，有机配体的选择非常关键，有机配体的选择对于材料的性能有着举足轻重的影响，本发明选择了全新的自制配体与金属骨架复合，使得本发明的金属有机骨架材料具有pcu网络结构，因此具有良好的稳定性能，具有快速高效、响应时间短、可视化和不需要电源工作等特点，且经过可逆还原处理后，仍然具有稳定的骨架结构和良好的传感性能，可多次重复利用。

本发明所得材料储存在氮气或氩气氛下，粉末在半年内不会发生颜色变化，稳定性好。

作为优选，步骤1）中，所述4-氰基吡啶和水合肼的摩尔比为2:1；反应时间为4h，反应温度为80℃。

作为优选，步骤2）中，所述二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪与六氟硅酸铜的摩尔比为1:1-2:1。

作为优选，步骤2）中，溶解二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪时进行超声震荡。

作为优选，步骤3）中，六氟硅酸铜水溶液的浓度范围为0.9-1.1mol/l。

作为优选，步骤3）中，六氟硅酸铜水溶液的滴加速度为0.05-0.2ml/s。

作为优选，步骤3）中，反应温度为25-30℃，反应时间为18-22h。

作为优选，所述二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪的纯度大于98%。

作为优选，所述氧化气体为亚硝气。

与现有技术对比，本发明的有益效果是：

（1）本发明制备方法对设备要求低，易于大量合成。

（2）本发明制备的用于检测氧化气体的金属有机骨架材料是基于无机金属离子cu²⁺、无机阴离子sif6^2-和有机配体二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪得到四嗪功能化金属有机骨架材料，可根据实际所需的应用合理的设计骨架结构，其中包括孔体积、骨架内修饰的官能团等。

（3）本发明制备的用于检测氧化气体的金属有机骨架材料具有pcu网络结构，使其具有良好的稳定性能，具有快速高效、响应时间短、可视化和不需要电源工作等特点，且经过可逆还原处理后，仍然具有稳定的骨架结构和良好的传感性能，可多次重复利用。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的四嗪功能化的具有二氢-1,2,4,5-四嗪单元的金属有机骨架材料和氧化后形成1,2,4,5-四嗪单元的金属有机骨架材料的粉末x射线衍射图谱。

图2为本发明实施例1制备的有机配体二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪的核磁谱图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

总实施例

一种用于检测氧化气体（例如亚硝气）的金属有机骨架材料的制备方法，包括以下步骤：

1）按摩尔比1.5:1-3:1（优选2:1）分别称取4-氰基吡啶和水合肼并混合于反应容器中，在30-80℃（优选80℃）下搅拌回流反应4-8h（优选4h）；抽滤得到橙黄色固体，在乙醇与水体积比为0.5-1.5:1的混合溶剂中重结晶并洗涤后得到橙黄色固体二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪，纯度大于98%，备用。

2）按40-50mg/30-40ml的比例将二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪溶解于甲醇中，期间进行超声震荡。

3）将所得反应物在搅拌条件下缓慢（滴加速度为0.05-0.2ml/s）滴入六氟硅酸铜水溶液（浓度为0.9-1.1mol/l），二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪与六氟硅酸铜的摩尔比为1:1-2:1。所得混合溶液在25-85℃（优选25-30℃）下反应8-24h（优选18-22h），过滤得到橙黄色粉末。

4）用甲醇冲洗后得到四嗪功能化的金属有机骨架材料。

实施例1

二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪的制备：

分别称取5.2g4-氰基吡啶和5ml水合肼混合于100ml圆底烧瓶中，其中4-氰基吡啶和水合肼的摩尔比为2:1，在80℃下搅拌回流反应4h。用布氏漏斗抽滤得到橙黄色固体，在乙醇与水体积比为1:1的混合溶剂中重结晶并洗涤后得到橙黄色粉末备用。

实施例1中制备出的已是在最优条件下自制出来的原料，具有高的纯度，纯度可达98%(如图2所示为其核磁谱图：¹hnmr(500mhz,dmso)δ9.45(s,2h),8.69(dd,j=4.6,1.5hz,4h),7.77(dd,j=4.6,1.6hz,4h)，后续实施例中的二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪（h2dpt）都是通过本实施例合成而得。

金属有机骨架材料的制备及应用：

将46mg二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪配体溶解在30ml甲醇中（超声震荡半小时以上，期间经常手动摇摇，配体不能完全溶解），之后将该反应物放到搅拌器上，搅拌过程中缓慢滴入（滴加速度为0.1ml/s）2mlcusif6的水溶液（1mol/l）。二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪与六氟硅酸铜的摩尔比为1:1（配体稍微过量），其中混合溶液在室温下过夜反应20h，之后用布氏漏斗过滤得到橙黄色粉末，甲醇冲洗几遍得到样品。

将悬浮在甲醇中的样品暴露于亚硝气体中，观察到粉末的颜色变化，可以观察到橙黄色粉末立即变为粉红色粉末，主要原因是如图1所示，金属有机骨架材料的骨架中二氢-1,2,4,5-四嗪单元被氧化成1,2,4,5-四嗪单元，从而导致颜色的迅速变化。

实施例2

将46mg二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪配体溶解在30ml甲醇中，之后将该反应物放到搅拌器上，搅拌过程中缓慢滴入（滴加速度为0.1ml/s）2mlcusif6的水溶液（1mol/l），二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪与六氟硅酸铜的摩尔比为1:1（配体稍微过量）。混合后溶液在50℃下反应20h，之后用布氏漏斗过滤得到橙黄色粉末，甲醇冲洗几遍得到样品。

实施例3

将46mg二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪配体溶解在30ml甲醇中，之后将该反应物放到搅拌器上，搅拌过程中缓慢滴入（滴加速度为0.1ml/s）2mlcusif6的水溶液（1mol/l），二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪与六氟硅酸铜的摩尔比为1:1（配体稍微过量）。混合溶液在85℃下反应20h，之后用布氏漏斗过滤得到橙黄色粉末，甲醇冲洗几遍得到样品。

实施例4

与实施例1的不同在于：二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪与六氟硅酸铜的摩尔比为2:1。

实施例5

与实施例2的不同在于：二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪与六氟硅酸铜的摩尔比为2:1。

实施例6

与实施例3的不同在于：二氢-3，6-二-4-吡啶基-1，2，4，5-四嗪与六氟硅酸铜的摩尔比为2:1。

金属有机骨架材料作为多孔材料的一种，拥有相对较大的比表面积，可用于对各种气体的吸附，同时在气体传感中存在很大的应用前景。本发明得到的四嗪功能化金属有机骨架材料，具有原料易得、制备方法简单和水热稳定性高、检测灵敏、可视化等突出优点，且易再生，可重复利用。

本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。