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《东北师范大学》 2013年
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金属—氧簇基复合材料作为晶体催化剂的合成及性质研究

杜东英  
【摘要】:多金属氧酸盐是一类具有优异的物理化学性质的无机材料,在许多领域具有潜在的应用前景,尤其是在催化和医药领域。大多数情况下,单独的多金属氧酸盐离子作为催化剂不易分离,通常要进一步制备成为复合型材料,例如,多酸基金属-有机骨架材料、多酸负载型多孔复合材料及多酸纳米复合材料等。本论文选择金属-氧簇(主要是多金属氧酸盐)为研究对象,通过向反应体系中引入不同的金属离子或金属-有机片段,借助配位键来修饰或桥连,制备了多种新颖的金属-氧簇基晶体催化剂。然后,将晶体材料和纳米粒子复合得到具有协同催化作用的复合材料催化剂,并研究这些材料在还原铁氰化钾、对硝基苯酚、双氧水及生物柴油制备等方面的催化活性。 1.在170°C水热条件下,选用钼酸钠、亚磷酸、氯化锰、乙酸锌和咪唑为初始原料,调节溶液的pH值,合成了一个基于{P_4Mo_6O31H6}(简写为{P_4Mo_6})二聚体的无机-有机杂化材料。Mn[Zn(im)]_2{[Na(H_2O)]_2[Mn(H_2O)_2][Zn(im)_2][P_4Mo_6O_(31)H_6]_2}·8H_2O(IFMC-100) 在IFMC-100中,一个锰离子、两个钠离子和四个水分子填充在两个{P_4Mo_6}单元之间,形成了一个{[Mn(H_2O)_2][Na(H_2O)]_2}核,然后通过{Zn(im)_2}片段连接形成了一个{[Mn(H_2O)_2][Na(H_2O)]_2[Zn(im)_2][P_4Mo_6O_(31)H_6]_2}簇。然后,{[Na(H_2O)]_2[Mn(H_2O)_2][Zn(im)_2][P_4Mo_6O_(31)H_6]_2}二聚体通过Mn(II)离子和{Zn(im)}片段相互连接,得到了一个经典的4-连接金刚石网络拓扑,这是第一例管状的多酸基晶体材料。 在室温下,将合成的IFMC-100浸泡在HAuCl_4的乙醇溶液中,由于AuCl_4–离子和多酸主体之间的固-液自发氧化还原反应,得到了负载Au颗粒的微管反应器Au@IFMC-100。在这个过程中,IFMC-100起到还原剂和稳定剂的双重角色,部分Mo(V)被氧化成为+6价。此外,我们以硼氢化钠还原铁氰化钾和4-硝基苯酚为模型反应,研究了Au@IFMC-100和IFMC-100对于电子转移反应的催化活性。 2.在170~180°C水热条件下,选用钼酸钠、亚磷酸、咪唑和氯化锰或氯化锌为原料,调节溶液的pH值,合成了两个基于还原型{P_4Mo_6}四聚体的纯无机晶态材料。H{[Na_6Mn_4(PO_4)(H_2O)_4][Mo_6O_(12)(OH)_3(HPO_4)_3(PO_4)]_4[Mn_6(H_2O)_4]}·22.5H_2O(IFMC-101)H_7{[Na_(12)(PO_4)(H_2O)_(12)][Mo_6O_(12)(OH)_3(HPO_4)_3(PO_4)]_4(Zn_6O_2)}·38H_2O(IFMC-102) 在IFMC-101中,当四个{P_4Mo_6}片段聚集到一起,1个PO_43–离子、6个钠离子、4个Mn(II)离子和4个水分子填充在他们中间,形成{Na_6Mn_4(PO_4)(H_2O)_4}核,最终得到一个纳米尺寸的四聚体{[Na_6Mn_4(PO_4)(H_2O)_4][P_4Mo_6O_(31)H_6]_4}~(13–)簇。在IFMC-102中,当四个{P_4Mo_6}片段聚集到一起,1个PO_4~(3–)离子、12个钠离子和12个水分子填充在他们中间,形成{Na_(12)(PO_4)(H_2O)_(12)}核,最终得到一个纳米尺寸的四聚体{[Na_(12)(PO_4)(H_2O)_(12)][P_4Mo_6O_(31)H_6]_4}~(15–)簇。然后,这些四聚体簇分别通过Mn(II)或者Zn(II)离子连接,得到了三维八连接还原型纯无机开放骨架。 此外,利用具有氧化还原活性的多酸晶体材料IFMC-101作为还原剂和稳定剂,通过自发的氧化还原反应来制备负载Au和Pt纳米颗粒的晶体催化剂。同时检测其对于用硼氢化钠还原4-硝基苯酚的催化活性,结果表明多酸晶体材料和贵金属纳米粒子结合具有较好的协同催化活性。同时,我们研究了IFMC-102的电化学行为和紫外漫反射光谱。 3.在180°C水热条件下,选用钼酸钠、氯化锌、亚磷酸、Mo粉、四甲基氢氧化铵和H_8L (H_8L=5,5'-(2,2-bis((3,5-dicarboxyphenoxy)methyl)propane-1,3-diyl)bis(oxy)diisophthalic acid)为原料,调节溶液的pH值,合成了一个基于{(HPO_3)_4Zn_(16)}纳米簇的无机-有机杂化材料。[Zn_(16)(HPO_3)_4]L_3(IFMC-200) 在IFMC-200中,16个Zn(II)通过4个HPO_3~(2–)离子相连,得到了一个纳米簇单元[Zn_(16)(HPO_3)_4]~(24+),该簇被来自12个L~(8–)片段的24个羧基基团所稳定,被扩展成为首例具有(3,4,24)-连接的三维开放骨架。IFMC-200展示了超热稳定性、较好的耐水性,甚至可以在一定pH范围的酸碱水溶液中稳定存在。此外,IFMC-200被用来作为异相催化剂用于制备生物柴油,这是第一次使用具有Lewis酸的晶态d10金属-氧簇基材料作为催化剂来制备生物柴油。 4.在150~170°C水热条件下,以磷钨酸和硅钨酸为研究对象,通过向体系中引入不同尺寸和亲氧性的金属离子以及含氮或含氧配体,并调节溶液的pH值,合成了一系列新颖的无机-有机杂化材料。[Hen]_2[Cu(en)_2(H_2O)]2{[Cu(en)_2]_2[Ge_2W_(23)CuO_(79)]}·4H_2O1H_8[Cu(en)_2H_2O]_4[Cu(en)_2]{[Cu(en)_2][La(PW_(11)O_(39))_2]}_2·18H_2O2H_6[Na_2(en)_2(H_2O)_5][Cu(en)_2H_2O]_4[Cu(en)_2]{[Cu(en)_2][Ce(PW_(11)O_(39))_2]}_2·16H_2O3H_7[Cu(en)_2]_2[Sm(PW_(11)O_(39))_2]·10H_2O4[Cu(en)_2H_2O]_3[(α-SiW_(11)O_(39))Nd(H_2O)(η~2,μ~(-1),1)-CH_3COO]·3.5H_2O5H_2[Cu(en)_2H_2O]_8[Cu(en)_2]_3[{(α-SiW_(11)O_(39))Ce(H_2O)(η~2,μ-1,1)-CH_3COO}_4]·22H_2O6 我们对这六个化合物进行了红外、XRPD、元素分析和热重表征。同时,研究了化合物1的电化学行为,研究了化合物2,3,5和6的磁学行为。
【学位授予单位】:东北师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:O643.36

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