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福建物構所類沸石分子篩材料研究取得系列進展

無機沸石分子篩材料因特有的吸附/分離和催化等功能在產業界和人們日常生活中均有著廣泛應用。

中科院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室張健研究員領導的課題組在科技部973計劃、國家基金委創新群體項目、中科院新興與交叉領域項目和福建省杰出青年基金項目的資助下,通過模擬其獨特的TO4四面體框架結構,設計合成的系列金屬有機類沸石分子篩材料不僅具有更高的比表面積和優良的孔結構調控性能,并且在氫能源存儲、二氧化碳捕獲和催化等研究領域顯示出優越的性能和潛在的應用前景。

該課題組利用四面體Cu4I4簇作為基本構筑單元,通過直線型配體三乙烯二胺(dabco)的連接,成功合成了一例具有分子篩型MTN拓撲的簇有機框架化合物。該化合物的結構含兩種類型的籠結構,籠內徑分別達到了2.6nm和2.0nm,具有非常大的孔體積;同時Cu4I4簇是一典型的熒光發光單元,因此該化合物的合成不僅為類分子篩材料的組裝提供了一條簇單元構筑模式,并且其熒光和高孔性能的成功融合為熒光類分子篩材料開發提供了新的思路。該研究工作發表于J. Am. Chem. Soc. (2012, 134,17881-17884)上。

由于構成沸石分子篩結構的通常是系列TO4 (T = Si4+, Al3+, P5+ etc)四面體中心,因此在設計合成類沸石分子篩結構中通常選用四面體配位的金屬中心(Zn2+, Co2+,Cu+等),選擇的范圍是十分有限的,如能利用高配位數的金屬中心去構筑4-連接的沸石分子篩拓撲結構,將有效拓寬金屬中心的選擇范圍,可進一步拓寬這類材料的功能應用。該課題組利用配位化學方法,采用羧基鰲合配位模式封堵住六配位金屬中心的兩個配位點后,剩下四個配位點就能形成扭曲四面體配位模式。沿著這一思路,研究人員有效組合了這樣的六配位但是四連接的醋酸鈷中心與四齒硼咪唑配體,成功實現了兩例分別具有分子篩型ACO和ABW拓撲結構的類分子篩化合物設計合成。該研究工作發表于Chem. Eur. J. (2012, 18, 11876-11879)上。

另外,該課題組在類分子篩材料氣體吸附與催化性能方面也取得了系列進展。采用構筑6-配位但是4-連接的結構設計思路,利用5-羧基苯并咪唑和Ni合成了一個手性的具有三重穿插金剛石拓撲網絡的多孔材料,在0攝氏度和1個大氣壓下,該化合物對CO2吸附量為94.74 cm3/g。值得一提是,該化合物在0攝氏度和0.1個大氣壓下對CO2吸附能力高達57.7 cm3/g,優于目前已報道的其它手性多孔材料的CO2吸附能力。該研究工作發表于ChemSusChem (2012, 5, 1597-1601)上。

研究人員還通過摻雜途徑調控類分子篩材料性能的方法,將四面體Cu+中心部分替代ZIF-67結構中的Co2+中心,新形成的摻雜化合物Cu/ZIF-67在氣體吸附和光催化降解有機染料分子方面表現出更優異性能,該研究工作發表于J. Mater. Chem. (2012, DOI:10.1039/C2JM35602C)。

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