[发明专利]动态晶化制备纳米类沸石金属有机骨架化合物晶体的方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种在简单条件下制备类沸石金属有机骨架化合物(Zeolitic Imidazolate Frameworks，ZIFs)材料纳米晶体的方法，将ZIFs的应用范围扩大到纳米领域。

背景技术

纳米晶体指纳米尺寸范围内的的晶体材料，或具有晶体结构的纳米颗粒，一直以来，纳米晶体都是很多科研者的研究热点，具有重要的研究价值。具有纳米尺寸的晶体其电学、热力学性质均展现出很强的尺寸依赖性，从而可以通过调节制备过程来控制纳米粒子的性质。纳米晶体还可以提供单体的晶体结构，通过对单体晶体结构的研究可以为解释相似材料宏观样品的行为提供信息，也为众多科研者对晶体生长的机理研究提供实验基础。

类沸石金属有机骨架化合物(ZIFs)作为一种新型的多孔材料，因其独特的拓扑结构具有多种特殊的功能，在气体选择性吸附、催化、存储、医学、光学和电磁学材料等领域有巨大的潜在应用前景，从而受到广泛关注，特别是可以通过更换有机配体或是对其进行修饰，改变材料的物理化学性能，得到应用价值更高的ZIFs材料。最近展开了围绕合成由各种多功能有机配体和金属离子构筑的金属-有机骨架纳米晶的研究热点，它是一种在分子水平上具有高度可裁剪性的有机-无机杂化纳米材料，纳米尺寸级别的ZIFs材料相对于大尺寸晶体具有更大的比表面积、孔隙率、热稳定性好和结构有序等特点，合成纳米尺寸级别的类沸石金属有机骨架材料，使其在很多应用领域比大尺寸颗粒有更加广阔的应用前景，包括：气体选择性吸附、异相催化、储存、生物传感、电磁学及磁共振成像、模板、自旋交叉、生物医学成像和抗癌给药等领域，同时为发展新一代功能纳米材料提供了令人振奋的应用前景。

通常合成纳米金属-有机骨架的主要方法有微乳法、溶剂-诱导沉淀法、超声合成法和水热(溶剂热)法等，这些合成方法均对反应体系要求苛刻，并且反应过程繁琐，而在本发明动态晶化制备纳米类沸石金属有机骨架化合物晶体的方法中，在动态晶化的条件下用简单方法制备出纳米级别的ZIFs晶体，该方法不仅大大缩短了晶体结晶成核时间，有效减小了晶粒尺寸，并且反应过程简单，易于操作，为纳米ZIFs材料的制备及研究提供了一种简单有效的方法。

发明内容

本发明的目的在于解决金属-有机骨架材料(ZIFs)纳米晶体不易制备的技术难题，提供了一种简单易行，且产品晶体颗粒均匀分布在纳米级别范围的ZIFs晶体的制备方法，本发明有效减小ZIFs材料的晶粒尺寸，同时也为ZIFs材料潜在应用领域的开拓及生长机理研究提供了一定的实验基础。

为达到上述目的，本发明采用的制备步骤包括：将金属前驱体及有机配体分别溶于溶剂配制金属前驱体溶液A和有机配体溶液B，将溶液A和溶液B混合后置于带有搅拌装置的反应釜中，30℃～180℃反应10min～96h，反应结束后冷却，终结晶体生长，并离心分离、洗涤得到目标产物。

ZIFs材料为金属与有机配体经过自组装形成的网络结构物质，是金属盐前驱体与有机配体(即有机桥联剂)在溶剂中经过一定时间反应自组装形成的骨架结构材料。对于纳米级的ZIFs的自组装，需要选取合适的金属中心离子与有机配体来共同构筑，尤其要控制各反应物的浓度及配比。在本发明中金属前驱体与有机配体的摩尔比为1∶15～15∶1，并将金属前驱体与有机配体按上述摩尔比溶于溶剂中分别配置成浓度为0.001mol/L～2mol/L的金属前驱体溶液A和有机配体溶液B；所述溶剂为去离子水、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二乙基甲酰胺、乙醇、甲醇、乙二醇、二甲基亚砜中的一种或两种的组合。

将上述配置好的溶液A和溶液B混合后立即置于带有搅拌装置的已加热到一定温度(30℃～180℃)的反应釜中，保持恒温状态下搅拌10min～96h进行动态晶化，在此过程中完成晶体的结晶成核及生长过程。本发明所采用的搅拌装置可以是磁力搅拌或机械搅拌或旋转晶化设备；所述加热方式可以是油浴、水浴或烘箱加热。

本发明在动态晶化的条件下用简单方法制备出纳米级别的ZIFs晶体，不仅大大缩短了晶体结晶成核时间，有效减小了晶粒尺寸，并且反应过程简单，易于操作。并且本发明中将金属前驱体与有机配体二者分别配制成溶液，反应时边搅拌边混合，如此降低了二者前期接触时间，避免了大尺寸晶体的生成。