CN115490868A - 一种hkust-1晶体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种HKUST‑1晶体的制备方法,包括如下步骤:将Cu(NO3)2·3H2O和PVP在有机溶剂中混合,加入均苯三甲酸的有机溶液,经反应获得所述HKUST‑1晶体。本发明方法操作简单,能够有效控制HKUST‑1的粒径,可以大规模合成需要尺寸的HKUST‑1。通过本申请这种技术方法能够大规模合成粒径为50nm~850nm的粒径均一且晶型良好的HKUST‑1。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属有机框架材料,特别是涉及一种金属有机框架材料的制备方法。
背景技术
晶体尺寸是一个重要的控制因素,超越化学成分,在材料科学中影响物质的物理化学性质。例如,沸石的晶体尺寸和形态与工业催化的效果密切相关。对于金属有机框架(MOFs),除了在吸附、催化、光电性能等方面有重要的影响外,晶体尺寸效应仍然是智能材料中控制框架柔性最具挑战的课题之一,而现在对它的了解仍处于初期阶段。
HKUST-1,一种原料易得且相对稳定的金属有机框架材料,已在多个领域得到应用。例如,它能够作为一种纳米填料制备高效超滤膜,具有高拒水能力的同时保持高的透水性。它自身也能够作为一种包覆材料将纳米级氧化铜颗粒包裹在其中,在可见光催化下降解氢和亚甲基蓝。除此之外,HKUST-1自身也有着许多优秀的性质,在低温下,它具有一定的储氢能力。在室温下,HKUST-1的高压甲烷存储量能够达到美国能源部的标准。但不同尺寸大小的HKUST-1会有何性质的差异还有待探究。而合成得到一系列晶体质量良好且尺寸均一的HKUST-1一直是本领域技术人员要解决的技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种金属有机框架材料的制备方法,用于解决现有技术中合成具有良好晶型HKUST-1时粒径无法控制,粒径均一性不足的问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明通过以下技术方案获得。
本发明提供一种HKUST-1晶体的制备方法,包括如下步骤:
将Cu(NO3)2·3H2O、PVP在有机溶剂中混合,加入均苯三甲酸的有机溶液,经反应获得所述HKUST-1晶体。
优选地,反应体系中还加入有碱。
优选地,所述碱的加入量至反应体系在室温下不能再析出HKUST-1晶体为止。更优选地,所述室温为20~30℃。
更优选地,所述碱与Cu(NO3)2·3H2O、PVP在有机溶剂中混合。
优选地,所述碱选自Cu(OAc)2、Zn(OAc)2、NaHCO3和Na2CO3中的一种或多种。
更优选地,采用碱的有机溶液加入反应体系。
优选地,在碱存在的条件下,调控均苯三甲酸的加入速率来调控HKUST-1晶体的粒径,更优选地,所述均苯三甲酸的加入速率至少为1mL/min。
更优选地,所述碱的有机溶剂溶液的浓度为0.001~1mol/L。
优选地,所述有机溶剂为甲醇。
优选地,均苯三甲酸的有机溶液中溶剂为甲醇。
优选地,碱的有机溶液中溶剂为甲醇。
优选地,三水硝酸铜与均苯三甲酸的摩尔比为(1~5):2。
本申请还公开了一种调控HKUST-1晶体粒径的方法,将Cu(NO3)2·3H2O和PVP在有机溶剂中混合,通过调控碱的加入量和均苯三甲酸的加入速度,调控反应获得的HKUST-1晶体的粒径。
本申请制备方法中,通过PVP可以调控HKUST-1粒径的均一性,而碱,包括但不限于Cu(OAc)2,Zn(OAc)2,NaHCO3,Na2CO3可以调控其粒径的大小,碱加入的越多粒径越小,同时在加入碱的情况下,通过调控均苯三甲酸的滴加速度也可以调控粒径的大小,滴加速度越快粒径越大,因此可以从滴加速度和碱的加入量这两个维度来调控HKUST-1粒径的大小,使其达到需要的尺寸。这种方法操作简单,能够有效控制HKUST-1的粒径,可以大规模合成所需尺寸的HKUST-1。通过本申请这种技术方法能够大规模合成粒径为50nm~850nm的粒径均一且晶型良好的HKUST-1。
附图说明
图1为实施例1中制备的HKUST-1的SEM图,图中标尺为1μm。
图2为实施例2中制备的HKUST-1的SEM图,图中标尺为1μm。
图3为实施例3中制备的HKUST-1的SEM图,图中标尺为1μm。
图4为实施例4中制备的HKUST-1的SEM图,图中标尺为1μm。
图5为实施例5中制备的HKUST-1的SEM图,图中标尺为1μm。
图6为实施例6中制备的HKUST-1的SEM图,图中标尺为1μm。
图7为实施例7中制备的HKUST-1的SEM图,图中标尺为1μm。
图8为实施例8中制备的HKUST-1的SEM图,图中标尺为1μm。
图9为实施例9中制备的HKUST-1的SEM图。
图10为实施例10中制备的HKUST-1的SEM图,图中标尺为100nm。
图11为实施例11中制备的HKUST-1的SEM图,图中标尺为1μm。
图12为实施例12中制备的HKUST-1的SEM图,图中标尺为1μm。
图13为实施例13中制备的HKUST-1的SEM图,图中标尺为1μm。
图14为实施例14中制备的HKUST-1的SEM图,图中标尺为100nm。
图15为实施例15中制备的HKUST-1的SEM图,图中标尺为100nm。
图16为实施例16中制备的HKUST-1的SEM图,图中标尺为100nm。
图17为实施例17中制备的HKUST-1的SEM图,图中标尺为100nm。
图18为实施10(对应70nm)、实施例7(对应110nm)、实施例6(对应145nm)和实施例5中(对应200nm)的HKUST-1的X射线衍射表征图。
图19为实施10(对应70nm)、实施例7(对应110nm)、实施例6(对应145nm)和实施例5中(对应200nm)的HKUST-1的氮气吸附表征图。
图20为对比例1中制备的HKUST-1的SEM图。
图21为对比例2中制备的HKUST-1的SEM图。
图22为对比例3中制备的HKUST-1的SEM图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式,熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
在进一步描述本发明具体实施方式之前,应理解,本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案;还应当理解,本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案,而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法,通常按照常规条件,或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时,应理解,除非本发明另有说明,每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义,本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外,根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载,还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
本实施例中HKUST-1晶体的制备方法,包括如下步骤:
将Cu(NO3)2·3H2O和PVP在有机溶剂中混合,加入均苯三甲酸的有机溶液,经反应获得所述HKUST-1晶体。
优选地,反应体系中还加入有碱。更优选地,所述碱与Cu(NO3)2·3H2O、PVP在有机溶剂中混合。
本申请中的碱用于调节反应体系的pH值,所述碱选自Cu(OAc)2、Zn(OAc)2、NaHCO3和Na2CO3中的一种或多种。
更优选地,采用碱的有机溶液加入反应体系。所述碱的有机溶剂溶液的浓度可根据碱的溶解度性质决定。更优选地,所述碱的有机溶剂溶液的浓度为0.001~1mol/L。
在本申请具体的实施方式中,所述有机溶剂为甲醇。
在本申请具体的实施方式中,所述有机溶液中溶剂均为甲醇。
在本申请具体的实施方式中,三水硝酸铜与均苯三甲酸的摩尔比为(1~5):2。
在加入碱的条件下,所述均苯三甲酸的加入速率可调整HKUST-1粒径的大小。均苯三甲酸的加入速率可根据所需HKUST-1粒径的大小决定。在本申请具体的实施方式中,所述均苯三甲酸的加入速率至少为1mL/min。本申请中,可以采用一定的速率加入,如可以采用1mL/min、2mL/min,3mL/min、4mL/min等的速度加入,也可以直接注射加入。
本申请中通过控制均苯三甲酸的滴加速度和碱的加入量这两个维度来调控HKUST-1粒径的大小,使其达到需要的尺寸。
当不加碱时,实验发现,滴加速度几乎不能调控粒径大小。从1mL/min(20min)到5mL/min(4min)再到直接注射(10s),粒径几乎没有变化。对比例1~3所对应的图20、图21和图22,粒径几乎皆为800nm左右。
当添加碱时,趋势是当加入碱的量增加,相同滴加速度的情况下会导致粒径的降低。之前已有文献报道碱的加入会使粒径降低,但由于常见的碱性离子OH-和CO3 2-中Cu(OH)2是沉淀,而CuCO3遇水后会变为Cu(OH)2和Cu2(OH)2CO3,因此会比较难于想到用碱的加入量来调控HKUST-1粒径的大小。
碱的加入量可以根据碱的强弱、浓度以及目标产物的粒径大小来做调控。本申请中,碱的加入量至反应体系在室温如20~30℃下不能在析出HKUST-1晶体为止,本申请实施例中,碱的加入量至反应体系在25℃下不能在析出HKUST-1晶体为止。对于上述所列举碱中的Cu(OAc)2来说,当反应体系为500mL时,对于浓度为0.004mol/L的Cu(OAc)2的甲醇溶液,添加量不超过70mL。
本申请中还公开了一种调控HKUST-1晶体粒径的方法,将Cu(NO3)2·3H2O和PVP在有机溶剂中混合,通过调控碱的加入量和均苯三甲酸的加入速度,调控反应获得的HKUST-1晶体的粒径。
本申请中技术方案的具体实施例如表1和表2所示。
其中,表1和表2中,碱的溶液为碱的甲醇溶液,其中,Cu(OAc)2,Zn(OAc)2,Na2CO3的浓度为0.004mol/L,而NaHCO3的浓度为0.008mol/L。
表1
实施例 | Cu(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>·3H<sub>2</sub>O | PVP | MeOH | Cu(OAc)<sub>2</sub> | C<sub>9</sub>H<sub>6</sub>O<sub>6</sub> | 添加速度 |
1 | 0.7731 g | 0.4g | 72mL | 8mL | 20mL | 1mL/min |
2 | 1.9328g | 1g | 180mL | 20mL | 50mL | 2mL/min |
3 | 3.8655g | 2g | 360mL | 40mL | 100mL | 2mL/min |
4 | 7.731g | 4g | 720mL | 80mL | 200mL | 3mL/min |
5 | 3.8655g | 2g | 365mL | 35mL | 100mL | 4mL/min |
6 | 3.8655g | 2g | 360mL | 40mL | 100mL | 4mL/min |
7 | 3.8655g | 2g | 355mL | 45mL | 100mL | 4mL/min |
8 | 3.8655g | 2g | 350mL | 50mL | 100mL | 4mL/min |
9 | 3.8655g | 2g | 345mL | 55mL | 100mL | 4mL/min |
10 | 3.8655g | 2g | 340mL | 60mL | 100mL | 4mL/min |
11 | 0.7731g | 0.4g | 72mL | 8mL | 20mL | 2mL/min |
12 | 0.7731g | 0.4g | 72mL | 8mL | 20mL | 4mL/min |
13 | 0.7731g | 0.4g | 72mL | 8mL | 20mL | 注射添加 |
14 | 0.7731g | 0.4g | 68mL | 12mL | 20mL | 1mL/min |
表2
实施例 | Cu(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>·3H<sub>2</sub>O | PVP | MeOH | 8mL | C<sub>9</sub>H<sub>6</sub>O<sub>6</sub> | 添加速度 |
15 | 0.7731 g | 0.4g | 72mL | Zn(OAc)<sub>2</sub> | 20mL | 1mL/min |
16 | 0.7731g | 0.4g | 72mL | NaHCO<sub>3</sub> | 20mL | 1mL/min |
17 | 0.7731g | 0.4g | 72mL | Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> | 20mL | 1mL/min |
表3
对比例 | Cu(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>·3H<sub>2</sub>O | PVP | MeOH | Cu(OAc)<sub>2</sub> | C<sub>9</sub>H<sub>6</sub>O<sub>6</sub> | 添加速度 |
1 | 0.7731 g | 0.4g | 80mL | 0mL | 20mL | 1mL/min |
2 | 0.7731g | 0.4g | 80mL | 0mL | 20mL | 5mL/min |
3 | 0.7731g | 0.4g | 80mL | 0mL | 20mL | 注射添加 |
表1和表2中形成的HKUST-1晶体的SEM照片如图1~16所示,其中:
图1中为实施例1合成100mL HKUST-1;粒径为220nm;
图2中为实施例2合成250mL HKUST-1;粒径为200nm;
图3中为实施例3合成500mL HKUST-1;粒径为180nm;
图4中为实施例4合成1000mL HKUST-1;粒径为150nm;
图5中为实施例5合成的粒径为200nm的HKUST-1;
图6中为实施例6中制备的粒径为145nm的HKUST-1;
图7中为实施例7中制备的粒径为110nm的HKUST-1;
图8中为实施例8中制备的粒径为90nm的HKUST-1;
图9为实施例9中制备的粒径为70nm的HKUST-1;
图10为实施例9中制备的粒径为55nm的HKUST-1;
图11为实施例11中制备的粒径为300nm的HKUST-1;
图12为实施例12中制备的粒径为500nm的HKUST-1;
图13为实施例13中制备的粒径为850nm的HKUST-1;
图14为实施例14中制备的粒径为55nm的HKUST-1;
图15为实施例15中制备的粒径为100nm的HKUST-1;
图16为实施例16中制备的粒径为200nm的HKUST-1;
图17为实施例17中制备的粒径为50nm的HKUST-1;
图18为实施例5、6、7和10中制备的HKUST-1的XRD图;
图19为实施例5、6、7和10中制备的HKUST-1的氮气吸附表征图;
图20为对比例1中制备的粒径为800nm的HKUST-1;
图21为对比例2中制备的粒径为800nm的HKUST-1;
图22为对比例3中制备的粒径为800nm的HKUST-1。
由表1、表2和表3可以看出:由于HKUST-1是由均苯三甲酸与Cu2+配位而形成的网络结构,但均苯三甲酸必须要先脱掉酸根中的质子才能发生配位反应,因此当反应体系中有碱性离子时,酸根质子很容易脱掉,故可使后续反应发生,产生晶核,后续即可从这些晶核出发进行生长,得到最后的HKUST-1晶粒。且当碱性离子较多时,可产生的晶核也较多,因此粒径降低。而如果滴加速度较快时,由于短时间内酸根离子的增多,碱性离子短时间内消失,导致滴入反应体系中已脱质子的均苯三甲酸比例相对较少,故产生的晶核减少,粒径增大。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种HKUST-1晶体的制备方法,包括如下步骤:将Cu(NO3)2·3H2O和PVP在有机溶剂中混合,加入均苯三甲酸的有机溶液,经反应获得所述HKUST-1晶体。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,反应体系中还加入有碱;和/或,所述有机溶液中溶剂和所述有机溶剂均为甲醇。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述碱的加入量至反应体系在室温下不能再析出HKUST-1晶体为止。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述碱选自Cu(OAc)2、Zn(OAc)2、NaHCO3和Na2CO3中的一种或多种。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,采用碱的有机溶液加入反应体系。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述碱的有机溶液的浓度为0.001~1mol/L;和/或,所述碱的有机溶液中的溶剂为甲醇。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,Cu(NO3)2·3H2O与均苯三甲酸的摩尔比为(1~5):2。
8.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,调控均苯三甲酸的加入速率来调控HKUST-1晶体的粒径。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,所述均苯三甲酸的加入速率至少为1mL/min。
10.一种调控HKUST-1晶体粒径的方法,其特征在于,将Cu(NO3)2·3H2O和PVP在有机溶剂中混合,通过调控碱的加入量和均苯三甲酸的加入速度,调控反应获得的HKUST-1晶体的粒径。
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