基于V型含氮杂环配体构筑的金属有机框架材料的制备及性能研究

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金属有机框架材料(MOFs)是由金属离子与有机配体通过配位键形成的一维、二维、三维网络结构。MOFs材料在气体吸附与分离、催化、储能与转化、传感、磁性等领域有广泛的应用。因此,设计和制备性质独特、结构多样的MOFs材料吸引了科研工作者的兴趣。据报道,V型含氮配体3,5-di(pyridin-4-yl)-4H-1,2,4-triazol-4-amine(4-abpt)更易形成结构复杂多样的配合物,并且金属离子可以与氮原子形成稳定的配位键。此外,羧酸配体(1R,3S)-1,2,2-trimethylcyclopentane-1,3-dicarboxylic acid((+)Dcam)和4,4’,4"-nitrilotribenzoic acid(H3NTB)配位能力很强,并且具有多样化的配位模式,也可以构筑结构多样的MOFs。受上述思想的启发,通过这些配体和不同金属盐反应,本文设计合成了 3个新型MOFs化合物。我们分别对化合物的催化、电化学、荧光和磁性等性质进行了研究。主要包含以下两个工作:(1)在溶剂热条件下,使用六水合硝酸钴,与(+)Dcam羧酸配体和4-abpt含氮配体反应,成功制备了1个二维层状的Co-MOF[Co(Dcam)(H20)](1)。将Co-MOF作为前驱体,在空气条件下高温煅烧制备出分层多孔Co3O4(NL-Co3O4),NL-Co3O4的单层厚度约为70 nm。Co-MOF衍生的NL-Co3O4具有独特的层状多孔结构,对提高电化学和电催化性能具有重要作用。NL-Co3O4作为锂离子电池负极材料,表现出了优异的循环性能和倍率性能,在电流密度为200 mA g-1时,经过300次循环,其可逆容量达到了1120.5 mA h g-1,在电流密度为6.4 A g-1的情况下,其容量达到了579.4 mA h g-1。在高电流密度为4 A g-1的情况下,经过200次循环,NL-Co3O4的容量仍然分别保持在576 mA h g-1。此外,NL-Co3O4作为析氧反应(OER)的电催化剂,具有高效的电催化性能(过电位约420 mV),可与商业RuO2相媲美。在OER的连续催化过程中,NL-Co3O4表现出良好的耐久性,约持续15小时。(2)在溶剂热条件下,我们使用4-abpt含氮配体和H3NTB羧酸配体与不同金属盐反应,成功制备了两个化合物[Zn3(H3NTB)(4-abpt)](2)和[Co3(H3NTB)2(4-abpt)(DMF)2](3)。化合物2和3都表现出3D网络结构。荧光性能研究表明:化合物2对Al3+具有明显荧光增强性能以及对Al3+离子具有较高的敏感性,其荧光检测不受共存金属离子的影响。磁性研究表明化合物3表现出反铁磁相互作用。
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