[发明专利]一种合成沸石咪唑类金属有机框架ZIF‑8的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属有机框架材料合成技术领域，具体涉及一种合成沸石咪唑类金属有机框架ZIF-8的方法。

背景技术

沸石型咪唑框架材料(zeolitic imidazolate frameworks,ZIFs)是MOFs材料的一种，它是由过渡金属原子与咪唑或咪唑衍生物连接而生成的一类新型的、具有沸石拓扑结构、比表面积大、结构多样性、孔道尺寸可调及骨架可修饰等优点，广泛应用于气体存储与分离、光学材料、磁性材料、催化材料及生物等领域，正迅速发展成为能源、材料和生命科学交叉领域中的研究热点。

ZIF-8是由四面体锌簇和2-甲基咪唑配体自组装形成的具有拓扑结构的多孔晶体，是目前研究最为广泛的一类ZIFs材料，广泛的应用于气体吸附与储存、气体分离、催化、传感等领域。

ZIF-8合成方法是指将硝酸锌和有机咪唑配体溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，反应温度为常温-180℃，反应时间为20min-48h，然后过滤、洗涤和干燥，得到粉末状的ZIF-8晶体。但此法合成时间过长、反应温度高、溶剂消耗量大。

传统合成ZIF-8的方法是将硝酸锌和2-甲基咪唑溶于有机溶剂加热进行反应，合成的ZIF-8晶体的粒度在变化范围较大。而ZIF-8晶体的粒度大小、形貌、微观结构与宏观性能直接影响其应用空间，因此探索合成高比表面、窄粒度分布、团聚小、晶相稳定性好、易控制粉末粒度的ZIF-8晶体是扩大其应用领域的关键。

传统溶剂热法合成ZIF-8晶体由于反应过程过饱和度较低，且不能搅拌，整个反应体系不均一，难以合成高比表面、窄粒度分布、团聚小、晶相稳定性好、易控制粉末粒度的ZIF-8晶体，研究者开发水热法、微波合成法、超声波合成法和机械化学法合成法等方法，所合成的ZIF-8晶体均由于产率低、设备复杂、工艺条件苛刻等缺点难以普及和工业化生产。

为了得到高比表面、窄粒度分布、晶相稳定性好的ZIF-8晶体，则要为反应溶液的提供较高的过饱和度。这是因为溶液的过饱和度越大，分散度越大，形成的晶核数目就越多，有利于得到细小颗粒的晶体。而并流加料法使物料间反应在瞬间完成大量成核，并均匀地分散在体系中，因此成核速度远远大于成长速度，生成粒度细小、比表面高的ZIF-8晶体。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种合成沸石咪唑类金属有机框架ZIF-8的方法。

本发明的具体技术方案如下：

一种合成沸石咪唑类金属有机框架ZIF-8的方法，首先将硝酸锌和2-甲基咪唑分别溶于溶剂中得到硝酸锌溶液和2-甲基咪唑溶液；然后加热底液至80℃～130℃，将硝酸锌溶液和2-甲基咪唑溶液并流滴加至加热的底液中反应得到ZIF-8晶体，其中，反应时Zn²⁺与2-甲基咪唑的摩尔比为1:4～4:1，硝酸锌溶液和2-甲基咪唑溶液并流滴加时的速度为5～50mL/min，反应时温度控制在80℃～180℃，反应时间为8～28小时，控制反应过程pH值为4.5～5.5；硝酸锌溶液中Zn²⁺的浓度为0.1mol/L～1mol/L；2-甲基咪唑溶液中2-甲基咪唑的浓度为0.1mol/L～1mol/L。

本发明一种合成沸石咪唑类金属有机框架ZIF-8的方法，硝酸锌溶液和2-甲基咪唑溶液同时滴入反应器，其中硝酸锌溶液和2-甲基咪唑溶液的滴加速度相同或者不同；所述硝酸锌溶液的溶剂为去离子水，2-甲基咪唑溶液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺；所述底液的溶剂为去离子水或N,N-二甲基甲酰胺或去离子水与N,N-二甲基甲酰胺的任意比例混合液。

本发明将硝酸锌和2-甲基咪唑分别溶于溶剂中，将底液加热，向加热的底液中并流滴加硝酸锌溶液和2-甲基咪唑溶液，同时搅拌，采用溶剂热法合成ZIF-8晶体。本发明通过对溶剂热设备的技术改造，采用并流加料法，保证了反应过程两种反应物同时具有较高的过饱和度，合成的ZIF-8晶体粒度均一，比表面积较高，热稳定性较好。

本发明对设备要求宽松，操作简单，条件温和，工艺简单，并且大大缩短了反应时间，减少了试剂的消耗，提高了试剂的利用率，环保无毒等优点，具有良好的应用前景。本发明能经济有效地合成出结晶度高，粒度均匀，粒径小，分散性良好，比表面积高，热稳定性好的ZIF-8晶体。

附图说明

图1为本发明实施例3合成的ZIF-8晶体的X-射线衍射(XRD)图；

图2为本发明实施例3合成的ZIF-8晶体的扫描电镜(SEM)图；