[发明专利]高稳定性铜基金属-有机框架材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种高稳定性铜基金属‑有机框架材料及其制备方法与应用，所述材料的化学式为[Cu(4,4’‑bpy)₂(1,2‑eds)]_n，其中4,4’‑bpy为4,4’‑联吡啶，1,2‑eds为1,2‑乙烷二磺酸根二价阴离子；所述材料的晶体结构属单斜晶系，空间群为C2，晶格中的铜为二价六配位；所述材料的性状为深蓝色块状晶体或天蓝色粉末。材料由硝酸铜、4,4’‑联吡啶和1,2‑乙烷二磺酸二钠在140–180℃水热条件下反应并进一步提纯制得；所述材料可用于二氧化碳的吸收、分离及转化。与现有技术相比，本发明克服了传统羧酸类金属‑有机框架材料稳定性差及对客体分子选择性差的缺点，在二氧化碳的吸收、分离及转化领域具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明属于材料科学与技术领域，涉及一种高稳定性铜基金属-有机框架材料及其制备方法与应用。

背景技术

金属-有机框架材料(Metal-Organic Frameworks，简称MOFs)是一类多孔晶态有机-无机杂化材料，其结构中规则的孔道能捕获客体分子，并在特定条件下催化其参与化学反应。MOFs具备由金属离子或金属簇基团和有机配体共同构筑的多维拓扑结构，相较于其他传统固态多孔材料，它具有极高的比表面积和可供功能化的有机配体组分。通过精细设计孔道表面的官能团，可大幅提升MOFs与客体气体分子的作用力。目前，MOFs在气体的分离、储存与转化领域已得到初步商业化应用，已报道的MOFs对二氧化碳气体的吸附容量和吸附选择性均大幅超过传统分子筛与多孔碳等固态吸附剂。

基于金属-羧酸所组成的次级结构单元的可预见性设计，羧酸类MOFs的设计与合成已逐步发展为一个成熟的领域。然而，金属离子与羧酸基团的螯合通常得到非极性的MOFs孔道，使其针对客体分子的作用力十分有限，难以投入实际应用。相较于传统羧酸类MOFs，基于有机磺酸配体的MOFs的研究相对较少，其主要原因是金属与磺酸配位模式的多样性和不可预见性。磺酸基团具有较低的pKa值和较高极性，有机磺酸配体参与构筑的MOFs往往具备高密度、高极性的规则孔道，能使具有四级矩的客体二氧化碳分子发生极化，从而显著提升MOFs骨架的二氧化碳亲和力。磺酸类MOFs材料在客体分子的识别与分离及离子传导等领域有极大的应用潜力。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种具备高稳定性和高应用价值的金属-有机框架材料及其制备方法与应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

高稳定性铜基金属-有机框架材料，该材料的化学式为[Cu(4,4’-bpy)₂(1,2-eds)]_n，其中4,4’-bpy为4,4’-联吡啶，1,2-eds为1,2-乙烷二磺酸根二价阴离子，n为任意正整数；

所述的材料的晶体结构属单斜晶系，空间群为C2，晶格中的铜为二价六配位；所述的材料的性状为深蓝色块状晶体或天蓝色粉末。

材料[Cu(4,4’-bpy)₂(1,2-eds)]_n的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

(1)将硝酸铜和1,2-乙烷二磺酸二钠加入水中，得到澄清溶液；

(2)将4,4’-联吡啶加入步骤(1)的澄清溶液中，充分混合，得到均匀悬浊液；

(3)将步骤(2)所得的均匀悬浊液转移至密闭反应容器中，进行水热反应；

(4)待水热反应结束后，冷却至室温，析出深蓝色块状晶体或天蓝色粉末；

(5)将步骤(4)所得的晶体或粉末取出，用溶剂洗涤至纯净，经干燥，即制得所述的高稳定性铜基金属-有机框架材料。

步骤(1)中所述的硝酸铜，可以为无水硝酸铜、硝酸铜的一水合物或三水合物中的任意一种。