CN110314703A - 一种多壳层空心MOFs材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多壳层MOFs材料的制备方法。首先制备多壳层金属氧化物为牺牲模板,直接与有机配体反应,或将负载贵金属粒子多壳层金属氧化物与加入的异类金属离子、有机配体在合适条件下反应,获得氧化物@MOFs或负载贵金属粒子的氧化物@MOFs的多壳层空心结构。该发明操作简单,具有一定的普适性,丰富了制备多壳层空心MOFs的策略,为稳定贵金属粒子提供了设计思路。
Description
技术领域
本发明属于功能材料技术领域。具体的说,本发明涉及一种多壳层空心MOFs材料的制备方法。
背景技术
金属有机骨架(Metal Organic Frameworks, MOFs)作为壳层结构,既具有较大的比表面积、丰富的孔结构、可调的不饱和活性位点,而且能够稳定壳层内部包覆的贵金属粒子,可以有效抑制反应过程中贵金属粒子的团聚和流失。因此,MOFs为壳层的复合材料在催化领域有着广阔的潜在应用前景。
空心MOFs壳层材料的制备方法多有报道,譬如Ning Zhang等人以磺化聚苯乙烯球为硬模板构建双壳层空心 HKUST-1/Pd@ZIF-8(Pd 纳米粒子均匀分布在内部HKUST-1壳中)(small 2017, 1701395)。他们先在磺化的聚苯乙烯球表面包覆HKUST-1,然后依次通过负载Pd纳米粒子、包ZIF-8,最后选择性除去聚苯乙烯球。其中,HKUST-1壳作为骨架,有利于贵金属粒子的良好分散,而外层ZIF-8作为保护层,既能够有效抑制贵金属粒子团聚,且在催化反应中实现了反应底物分子尺寸的选择性。虽然硬模板法具有一定通用性,但制备过程繁琐,且去除模板过程容易引入新的杂质以及导致结构的坍塌。Huo等人通过晶种以及后刻蚀法成功制备多壳层MOFs (MIL-101)。此方法首先需要用醋酸选择性腐蚀内部结晶性差的MOFs,继而生长新的MOF、再进行选择性腐蚀,从而形成多壳层MOFs(Angew. Chem. Int.Ed. 2017, 56, 1-6)。尽管该法在多壳层MOFs结构控制合成中展现了优越性,但制备过程仍显繁琐,且腐蚀过程容易损坏MOFs结构。如何利用简单、通用的方法制备多壳层MOFs仍存在挑战。
牺牲模板法为核壳结构的制备提供了一种思路。譬如,以金属氧化物为牺牲模板,直接与有机配体反应,有利于形成的MOFs在金属氧化物表面生长,避免了MOFs的同相成核。譬如,Chen等人以Cu2O为牺牲模板,利用缓慢释放的铜离子与有机配体反应,在Cu2O粒子表面成功地包覆HKUST-1壳层(ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 22745-22750)。我们课题组前期以CeO2/Pd粒子表面沉积的氧化铝为牺牲模板,设计与对苯二甲酸反应,制备了CeO2/Pd@MIL-53(Al)三明治结构(Chem. Commun. 2019, 55, 7651-7654)。目前,金属氧化物为牺牲模板的主要集中于实心的氧化物。如果选择空心或者多壳层空心结构的氧化物为牺牲模板,或者为载体,负载贵金属粒子,然后包覆MOFs,此结构可以发挥空心或多壳层空心结构的优势,利于反应底物分子的扩散,同时更大程度上提升MOFs壳层与氧化物、贵金属粒子之间的接触界面,增强组分之间在催化反应中的协同作用。据我们调研的现有文献和专利,尚未发现利用多壳层空心结构氧化物为牺牲模板或载体,制备多壳层空心MOFs材料的报道。
发明内容
为了突破现有技术的限制,克服现有技术的不足,本发明的目的在于发明一种多壳层空心MOFs材料的制备方法。
为实现上述目的,本发明采用下述技术方案:
多壳层空心氧化物@MOFs的制备方法,包括如下步骤:
A、制备多壳层空心结构的金属氧化物;
B、将步骤A制备的氧化物分散于溶剂中;同时,将溶解有机配体的溶液逐滴加入到多壳层金属氧化物分散液中,振荡,静置,离心、乙醇洗涤、真空冷冻干燥,得到多壳层MOFs:
上述步骤A所述多壳层金属氧化物主要为:多壳层空心结构的Cu2O;
上述步骤B所述溶剂:乙醇和DMA(比例为0.5:0.5)、乙醇;
上述步骤B所述配体:均苯三甲酸;设定温度:室温;反应时间:40min。
多壳层空心氧化物/贵金属粒子@MOFs的制备方法,包括如下步骤:
A、制备多壳层空心结构的金属氧化物;
B、在金属氧化物表面负载贵金属粒子;
C、将步骤B制备的氧化物/贵金属粒子分散于溶剂中;同时,将溶解有机配体及异类金属盐的溶液加入到多壳层金属氧化物分散液中,将得到的悬浮液在设定温度下水浴反应一定时间,离心、洗涤、干燥,得到多壳层的氧化物/贵金属粒子@MOFs:
上述步骤B所述多壳层金属氧化物主要为:多壳层CeO2;贵金属:Au;
上述步骤C所述溶剂:DMF和H2O(比例为1:1);
上述步骤C中异类金属盐为:Al(NO3)3·9H2O;
上述步骤C所述配体:对苯二甲酸;设定温度:60℃;反应时间:24 h。
本发明的有益效果是:
本发明提供了一种多壳层空心MOFs的制备方法。以多壳层空心结构的Cu2O为牺牲模板,与有机配体直接反应,获得多壳层的Cu2O@Cu-MOFs结构;或者以多壳层的空心CeO2为载体,负载贵金属Au纳米粒子,然后加入Al3+与对苯二甲酸,获得多壳层的CeO2/Au@Al-MOFs结构。该发明操作简单,具有一定的普适性,丰富了制备多壳层空心MOFs的策略,为稳定贵金属粒子提供了设计思路。
附图说明
图1为实施例形成的示意图。
图2为实施例1所制备的多壳层空心Cu2O@Cu-MOFs的透射电镜图。
图3为实施例2所制备的三壳层空心CeO2/Au@Al-MOF的透射电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明,这些实施例仅用于举例说明本发明,但不对本发明的范围构成任何限制。
实施例1
(a)将CuSO4·5H2O(0.05 g)溶解到100 ml CTAB水溶液(0.13 M)中,然后加入抗坏血酸(0.18 g),超声溶解后将上述溶液加热至60℃并保温20 min。将10 ml NaOH水溶液(0.2M)在搅拌下滴加到上述溶液中,继续搅拌10 min,离心、洗涤、50℃真空干燥;
(b)将0.5 ml 均苯三甲酸(H3BTC)的乙醇溶液(80 mM)和0.5 ml N,N-二甲基乙酰胺(DMA)与1 ml 多壳层Cu2O(2mg)的乙醇溶液混合,振荡几下,常温静置40 min,然后离心、乙醇洗涤、冷冻干燥,得到多壳层空心Cu2O@Cu-MOFs材料。
实施例2
(a)将50 mg 碳球分散在10 ml H2O中,然后加入 Ce(NO3)3 .6H2O水溶液(10 ml,0.5M),将混合物充分搅拌45 min,再超声45 min,然后在160℃下水热处理6 h,离心、洗涤、80℃干燥,以10℃/min升温至500℃,保温1 h,制备三壳层CeO2;
(b)在磁力搅拌下将三壳层CeO2分散在15 ml去离子水中,超声使其分散,然后加入HAuCl4(500 µl,10 mM)溶液,搅拌18 h。离心,用水溶液洗涤并再分散于30 ml H2O中,将新鲜制备的NaBH4 (500 µl,30 mM)加入到再分散液中,用H2O洗涤,在80℃下真空干燥;
(c)将上述10 mg 三壳层CeO2@Au、10 mg Al(NO3)3·9H2O和10 mg 对苯二甲酸(H2BDC)分散于4 ml N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和4 ml H2O 的混合溶液中,60℃水浴加热24 h。冷却至室温,经过离心、DMF 和水洗涤、60℃干燥,得到三壳层 CeO2@Au@MIL-53 材料。
实施例3
(a)将50 mg 碳球分散在10 ml H2O中,然后加入 Ce(NO3)3 .6H2O水溶液(10 ml,0.5M),将混合物充分搅拌45 min,再超声45 min,然后在160℃下水热处理6 h,离心,洗涤,80℃干燥,以2℃/min升温至500℃,保温1 h,制备双壳层CeO2;
(b)在磁力搅拌下将双壳层 CeO2 分散在15 ml去离子水中,超声使其分散,然后加入HAuCl4(500 µl,10 mM)溶液,搅拌18 h。离心,用水溶液洗涤并再分散于30ml H2O中,将新鲜制备的NaBH4 (500 µl,30 mM)加入到再分散液中,用H2O洗涤,在80℃下真空干燥;
(c)将上述10 mg双壳层CeO2@Au、10 mg Al(NO3)3·9H2O和10 mg对苯二甲酸(H2BDC)分散于4 ml N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和4 ml H2O的混合溶液中,60℃水浴加热24 h,冷却至室温,经过离心、DMF和水洗涤、60℃干燥,得到双壳层CeO2@Au@MIL-53材料。
Claims (3)
1.多壳层MOFs材料的设计,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
A、制备多壳层金属氧化物或负载贵金属粒子的多壳层金属氧化物;
B、将得到的多壳层金属氧化物为牺牲模板,直接与有机配体反应,或将多壳层金属氧化物/贵金属粒子与加入的异类金属离子、有机配体在合适条件下反应,获得氧化物@MOFs或氧化物/贵金属粒子@MOFs的结构;上述结构中具有多壳层的MOFs。
2.根据权利要求1所述的多壳层MOFs材料的制备方法,其特征在于所述步骤A中多壳层金属氧化物主要为多壳层Cu2O、三壳层CeO2、双壳层CeO2;贵金属主要为Au。
3.根据权利要求1所述的多壳层MOFs材料的制备方法,其特征在于所述步骤B中配体分别为H3BTC和H2BDC,设定温度分别为室温和60℃,反应时间分别为40 min和24 h,异类金属盐为Al(NO3)3·9H2O。
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