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研究论文 | 更新时间:2023-11-01
    • 两个半导体Co(Ⅱ)配位聚合物的合成和光催化

    • Synthesis and photocatalytic study of two semi-conductive Co(Ⅱ) coordination polymers

    • 石明凤

      ,  

      李立凤

      ,  

      杨良竹

      ,  

      于红梅

      ,  

      肖铭

      ,  

      唐怀军

      ,  

      王凯民

      ,  
    • 中山大学学报(自然科学版)(中英文)   2022年61卷第6期 页码:74-80
    • DOI:10.13471/j.cnki.acta.snus.2022C002    

      中图分类号:
    • 纸质出版日期:2022-11-25

      网络出版日期:2022-05-17

      收稿日期:2022-01-11

      录用日期:2022-03-28

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  • 石明凤,李立凤,杨良竹等.两个半导体Co(Ⅱ)配位聚合物的合成和光催化[J].中山大学学报(自然科学版),2022,61(06):74-80. DOI: 10.13471/j.cnki.acta.snus.2022C002.

    SHI Mingfeng,LI Lifeng,YANG Liangzhu,et al.Synthesis and photocatalytic study of two semi-conductive Co(Ⅱ) coordination polymers[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,2022,61(06):74-80. DOI: 10.13471/j.cnki.acta.snus.2022C002.

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    摘要

    5-羟甲基间苯二甲酸 (H2HIPA,5-(hydroxymethyl) isophthalic acid)和Co(Ⅱ)离子在水热条件下分别与3,5-二(1H-咪唑-1-基)吡啶(3,5-DIP)和1,1′-(5-甲基-1,3-亚苯基)双(1H-咪唑)(1,1′-MPBI)反应构建出2个配位聚合物[Co(HIPA)(3,5-DIP)]n 1)和 [Co(HIPA)(1,1′-MPBI)]n 2)。单晶衍射揭示配合物1属于三斜晶系P-1空间群,配合物2属于单斜晶系P21/c空间群。由于采用了相同的金属离子,配合物12的Co(Ⅱ)离子中心均呈相似的四面体配位构型。H2HIPA配体与3,5-DIP或1,1′-MPBI作为有机连接体,分别构建出2个四连接具有sql网络的二维层状结构,且均继续通过π-π堆叠形成两重穿插三维超分子化合物。固体紫外及Mott-Schottky测试发现配合物12属于半导体材料,对紫外-可见光有很强的吸收作用,能够加快酸性黄的降解速度。

    Abstract

    Under hydrothermal conditions, 5-(hydroxymethyl)isophthalic acid (H2HIPA) and Co(Ⅱ) ions were reacted with 3,5-di(1H-imidazol-1-yl)pyridine (3,5-DIP) and 1,1′-(5-methyl-1,3-phenylene)bis(1H-imidazole) (1,1′-MPBI) to synthesize two new coordination polymers [Co(HIPA)(3,5DIP)]n(1) and [Co(HIPA)(1,1′-MPBI)]n(2). Single-crystal X-ray diffraction reveals that complex 1 belongs to the P-1 space group of the triclinic crystal system, and complex 2 belongs to the monoclinic crystal system P21/c space group. Due to the use of the same metal ions, the Co(II) ion centers of complexes 1 and 2 exhibit similar tetrahedral coordination configurations, while the H2HIPA ligands could interact with 3,5-DIP or 1,1′-MPBI as organic connectors, constructing two two-dimensional layered structures respectively. They have three-dimensional supramolecular compounds with sql network and double interspersed framework through π-π stacking. In addition, through solid UV-Vis and Mott-Schottky tests, it was found that complexes 1 and 2 belong to semi-conductive materials, which have a strong absorption effect on ultraviolet-visible light and can accelerate the degradation rate of acid yellow dyes.

    关键词

    钴配合物; 5-羟甲基间苯二甲酸; 光催化性能; 半导体材料; 三维超分子

    Keywords

    cobalt(Ⅱ) complex; 5-(hydroxymethyl)isophthalic acid; photocatalytic performance; semi-conductive material; three-dimensional supramolecule

    配位聚合物(CPs,coordination polymers)是一类由有机桥联分子与金属离子/金属簇组成的晶态固体材料

    1,目前已经在吸附2、传感3、催化4、磁性5和生物医药6等方面展现出较好的潜在应用价值。CPs的合成容易受到反应的温度、有机配体、金属离子的种类、溶剂体系以及酸碱度等反应条件的影响,其中有机配体的选择最为重要7。在众多配体中,多羧酸类配体通常被用于构建具有丰富有趣拓扑结构的CPs8

    在多种羧酸配体中,芳香羧酸类化合物因具有以下结构优势而被广泛应用:第一,含多个羧基的芳香化合物具有较好的共轭体系,能够利用π-π堆积作用增加CPs结构的稳定性;第二,羧酸基团去质子化与金属离子连接时配位模式灵活多样,利于形成不同结构类型的CPs;第三,去质子化的羧酸基团带负电荷能和金属阳离子减弱抗衡离子效应,同时也是较好的氢键的给体或受体,利于形成稳定的电中性CPs晶体。5-羟甲基间苯二甲酸(H2HIPA,5-(hydroxymethyl)isophthalic acid)作为一种代表性的芳香羧酸配体已经被应用在构筑CPs上,并且取得了一些成果。如,Xu等

    9使用H2HIPA为配体在水热条件下合成了2个Co(Ⅱ)配合物,即[Co(HIPA)(1,4-BMIB)]n和[Co2(HIPA)2(1,4-DIB)3n,研究发现这2个配合物均属于典型的n型半导体。Guo等10用H2HIPA合成的配位聚合物[Zn(HIPA)(bmimb)]n具有改善癫痫小鼠学习记忆损伤的作用,并发现其对治疗癫痫具有很好的活性;Liu等11合成了一个具有双核结构的Cd-配位聚合物[Cd(L)]n,荧光测试表明该配合物在525 nm处有最大的发射带。

    虽然H2HIPA配体已经有部分研究成果,但是目前它所合成出的配位聚合物仍较为有限。因此我们尝试用H2HIPA继续构建CPs,并在此过程中引入咪唑衍生物类配体3,5-二(1H-咪唑-1-基)吡啶(3,5-DIP)和1,1′-(5-甲基-1,3-亚苯基)双(1H-咪唑)(1,1′-MPBI)作为辅助配体(图1),以使得配合物结构更多样化。最终在水热条件下成功地合成出2个配合物[Co(HIPA)(3,5-DIP)]n 1)和[Co(HIPA)(1,1′-MPBI)]n 2),并利用X射线单晶衍射、元素分析、红外光谱对其进行了结构表征。此外,还对2个配合物进行了Mott-Schottky测试,研究了它们的光催化降解染料性能。

    fig

    图1  配体H2HIPA、3,5-DIP、1,1'-MPBI的结构

    Fig.1  Structures of ligands H2HIPA, 3,5-DIP and 1,1'-MPBI

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    1 实验部分

    1.1 试剂及仪器

    实验中所用的H2HIPA参照文献合成

    12,3,5-DIP、1,1′-MPBI和Co(NO32均在市场上购买,未进行纯化。所用仪器为X-射线单晶衍射仪(Rigaku 003型)、X-射线粉末衍射(理学UItima IV型)、红外光谱仪(Agilent Cary660型)、热失重分析仪(Netzsch Sta 449F5型)、紫外分光光度计(Shimadzu UV-3600 Plus型)、电化学工作站(CHI760E型)。

    1.2 配合物[Co(HIPA)(3,5-DIP)]n 1) 的合成

    将H2HIPA(19.6 mg,0.1 mmol),3,5-DIP (21.0 mg,0.1 mmol),Na2CO3(12.7 mg,0.12 mmol)和Co(NO32(0.15 mL,1.0 mol/L )溶于6 mL蒸馏水中,将所得的混合液在室温下搅拌20 min,然后转移到反应釜中加热,在140 ℃条件下反应48 h,冷却至室温,过滤后用乙醇洗涤,获得紫红色块状晶体(产率56.6%,基于配体H2HIPA)。元素分析(w/%, C20H15O5N5Co)的理论计算值为: C, 51.74; H, 3.26; N, 15.08; 实验值为: C, 50.60; H, 3.52; N, 14.67。FTIR主要数据(KBr压片,cm-1 v: 3 430(m), 3 103(w), 1 619(s), 1 261(m), 1 237(s), 1 112(w), 1 028(m)。

    1.3 配合物[Co(HIPA)(1,1′-MPBI)]n 2) 的合成

    合成条件与配合物1相似,只是用1,1′-MPBI代替3,5-DIP,最终得到红色块状晶体(产率53.1%,基于配体H2HIPA)。元素分析(w/%, C22H18N4O5Co)的理论计算值为: C, 55.36; H, 3.80; N, 11.74; 实验值为:C, 54.21; H, 3.82; N, 11.53。FTIR主要数据(KBr压片,cm-1 v: 3 415(m), 3 114(m) 1 614(s), 1 355(s), 1 265(w), 1 020(w)。

    1.4 配合物的晶体结构解析

    配合物12的单晶结构数据型X-射线单晶衍射仪上以Mo-Kα射线(T=295.2 K, λ=0.071 073 nm)为辐射源,ω变换扫描方式获得。晶体数据吸收校正后,用Olex2-1.2软件中的SHELXT-2014、SHELXL-2017程序和全矩阵最小二乘法对晶体结构进行解析及数据精修

    13,配合物的晶体参数及一些键长、键角数据分别见表1表2。配合物12的CCDC号分别为2 133 454和2 133 437。

    表1  配合物12的晶体学参数和测定数据
    Table 1  Crystallography and structure parameters of complexes 1 and 2
    指标配合物1配合物2
    分子式 C20H15O5N5Co C22H18N4O5Co
    相对分子质量 464.30 477.33
    衍射实验温度/K 295.2 295.2
    晶系 triclinic monoclinic
    空间群 P-1 P21/c
    a/nm 0.922 61 (3) 0.924 30 (5)
    b/nm 1.013 05 (3) 2.236 12 (11)
    c/nm 1.182 82 (3) 1.018 69 (7)
    α/(°) 105.425 (2) 90
    β/(°) 101.073 (2) 100.246 (6)
    γ/(°) 101.708 (2) 90
    体积V/nm3 1.007 46 (5) 2.071 9 (2)
    晶胞包含的分子数Z 2 4
    衍射实验中收集的总衍射点数 17 452 21 167
    独立衍射点数 5 320 [Rint = 0.030 0] 5 587 [Rint = 0.029 7]
    基于F2的全矩阵最小二乘法S 1.052 1.038
    衍射点R值[I > 2σI)] R1 = 0.028 3, wR2 =0.072 3 R1 = 0.030 3, wR2 =0.074 1
    全部衍射点的R R1 = 0.031 7, wR2 = 0.073 8 R1 = 0.037 3, wR2 = 0.076 6
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    表2  配合物12的部分键长和键角1)
    Table 2  Selected bond lengths and angles of complexes 1 and 2
    配合物化学键键长/ nm化学键键角/(°)
    配合物1 Co(1)—O(4)#1 0.200 72 (10) O(4)#1—Co(1)—N(5)#2 106.20 (5)
    Co(1)—O(1) 0.198 64 (10) O(4)#1—Co(1)—N(1) 114.20 (5)
    Co(1)—N(5)#2 0.203 69 (11) O(1)—Co(1)—O4(1) 96.71 (4)
    配合物2 Co(1)—O(1) 0.198 67 (10) O(1)—Co(1)—O(4)#1 98.28 (4)
    Co(1)—O(4)#1 0.199 49 (11) O(1)—Co(1)—N(1) 107.92 (5)
    Co(1)—N(1) 0.202 49 (12) N(1)—Co(1)—N(4)#2 112.66 (5)

    1) 配合物1的对称操作: #1= +x, -1+y, +z; #2= +x, +y, -1+z 配合物2的对称操作: #1=+x, +y, -1+z#2= -x, -1/2+y, 1/2-z

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    2 结果与讨论

    2.1 配合物的晶体结构

    X-射线单晶结构表明配合物1是三斜晶系,P-1空间群,不对称单元中包含一个Co2+离子,一个去质子化的HIPA2-和一个3,5-DIP辅助配体。Co(Ⅱ)中心通过四配位的模式与2个3,5-DIP配体上的N原子N1、N5b和2个HIPA2-配体上的羧基O原子O1、O4c配位,形成一个四面体几何构型(图2a)。在该配合物中,Co—O的键长在0.198 64(10)~0.200 72(10) nm之间,Co—N的键长在0.203 69(11) ~ 0.203 69(12) nm之间。每个主配体HIPA2-以μ21:η1配位模式与2个Co(Ⅱ)中心连接构成一维链,每条一维链的金属节点再分别连接3,5-DIP配体构建出一个二维层(图2b),然后二维层通过π-π堆叠形成具有二重穿插的三维超分子结构(图2c)。配合物1的二维结构可以简化为一个点符号为(44‧62)的4-连接sql网络(图2d)。

    fig

    图2  配合物1的结构示意图

    Fig.2  Schematic diagram of the structure of complex 1

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    配合物2的晶体则是单斜晶系,P21/c空间群。其不对称单元包含了一个Co(Ⅱ)中心、一个去质子的HIPA2-和一个1,1′-MPBI辅助配体。Co2+以四配位的方式与2个1,1′-MPBI配体上的N原子N1和N4c,以及2个HIPA2-配体上的羧基O原子O1、O4b配位,形成一个与配合物1类似的四面体几何构型(图3a)。在该配合物中,Co—O的键长在0.198 67(10) ~ 0.199 49(11) nm之间,Co—N的键长在0.202 49(12) ~ 0.203 35(12) nm之间。每个主配体HIPA2-同样以μ21:η1配位模式连接2个Co(Ⅱ)离子形成一维链结构,每条一维链的金属节点再分别连接1,1′-MPBI配体构建形成二维层状结构(图3b),二维层进一步通过π-π堆叠形成具有二重穿插结构的三维超分子框架(图3c)。配合物2的框架结构与配合物1一样可以简化为点符号为(44‧62)的4-连接sql网络(图3d)。

    fig

    图3  配合物2的结构示意图

    Fig.3  Schematic diagram of the structure of complex 2

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    在上述结构描述中可以看出,配合物1和配合物2中Co(Ⅱ)离子都是以四配位的模式连接有机配体形成sql网络,这可能是由金属离子和有机配体的特征所决定的

    14。在晶体的合成过程中使用相同的金属离子、羧酸配体,甚至是相同的反应温度,但使用的咪唑配体结构不同,也很难合成出晶系、晶胞体积和空间群都相同的配合物。只是用结构相似的咪唑配体所构建出来的配合物结构也相似,但并不完全相同。

    2.2 PXRD分析和热重分析

    配合物12的X-射线粉末衍射谱图(PXRD)显示,它们的粉末模拟数据和所测出来的粉末数据的衍射峰位置没有差别,说明合成的配合物均为纯相,可用于性质测试。此外,为测试配合物的水稳定性和光稳定性,还将该两个配合物放在有紫外光(UV)照射的水中浸泡2 d后过滤,再次测试其PXRD,结果显示配合物的粉末衍射峰没有太大变化,说明配合物在水中没有受到影响,稳定性极好(图4a)。

    fig

    图4  配合物的PXRD和TGA图

    Fig.4  PXRD and TGA patterns of the complexes

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    为进一步了解配合物的热稳定性,在25~800 ℃的范围内,在N2环境下测试该两个配合物的热重分析曲线(TGA),结果如图4(b)所示。配合物1从室温到120 ℃之间失去了半个客体水分子(实验值:2.00%,理论计算值:1.90%),继续升温至380 ℃,热重曲线上没有看到明显的变化情况,当温度超过382 ℃,配合物的框架开始坍塌,对应的热重曲线出现急剧的下滑现象。配合物2在室温至150 ℃之间有一个很小的质量损失过程,对应于配位水分子的离去(实验值:3.62%,理论计算值:3.70%)继续升温至375 ℃,热重曲线没有明显的变化,说明该配合物的质量在此温度区间没有出现太大损失,但温度高于380 ℃后,出现急剧的失质量现象,说明配合物的框架开始出现坍塌,失质量情况一直持续到反应结束。热重分析结果表明配合物12具有较好的热稳定性。

    2.3 配合物的半导体性质和光催化性能

    固态紫外-可见光吸收谱显示,配合物12均在可见光波长400~650 nm 处和紫外光波长200-400 nm处出现较强的吸收峰,如图5(a)和图5(b)。另外,测试出它们的固体紫外-可见漫反射光谱,通过Kubelka-Munk(K-M)法计算出配合物12的带宽分别是1.80和1.88 eV,处于半导体区域内,见图5(a)和图5(c)。为了进一步阐明配合物的半导体性质,我们对它们进行了阻抗测试,发现配合物12呈现比较小的半径,有利于电子的转移,如图6(a)。另外,分别在500、1 000和1 500 Hz的Mott-Schottky测试中得出,在Ag/AgCl作为参比电极时,测得电势分别为-0.80和-0.92 V。所以配合物12最低导带的标准电极电势(相对于氢电极)是-0.60和-0.72 eV,价带(HOMO)位置分别为1.20和1.16 eV,见图6(b)和图6(c)。以上结果显示,配合物1和配合物2是典型的n-型半导体

    15

    fig

    图5  配合物12的紫外-可见吸收谱及能带图

    Fig.5  UV-Vis absorption spectra and energy band diagrams of complexes 1 and 2

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    fig

    图6  配合物的阻抗图以及Mott-Schottky图

    Fig.6  Impedance diagram and Mott-Schottky diagram of the complexes

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    鉴于配合物12对紫外-可见光有着很强的吸收能力,并且在水中较为稳定,我们尝试用它们作为催化剂来测试其对酸性黄染料的光降解能力。在光催化实验中,取30 mg的配合物12分别加入到10 mL的酸性黄(10 mg/L)溶液中,在磁力搅拌器上避光搅拌,达到吸附-脱附的平衡状态,然后放在紫外灯(300 W)照射下反应,每隔5 min取1次样进行紫外光谱测试,结果见图7。相对于空白实验,配合物12对酸性黄有较好的降解效果,30 min之后,酸性黄分别降解了78%和80%。

    fig

    图7  配合物12存在和没有配合物时酸性黄光降解反应结果

    Fig.7  Absorption results of acid yellow photodegradation reaction in the presence and absence of complexes 1 and 2

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    3 结 论

    综上,用羧酸配体H2HIPA与咪唑衍生物在水热条件下合成出2个半导体型配合物[Co(HIPA)(3,5-DIP)]n 1)和[Co(HIPA)(1,1′-MPBI)]n 2)。在合成过程中,金属离子、合成条件相同、咪唑衍生物结构相似,合成得到的配合物结构相似,但空间群不同。结构分析表明配合物1属于三斜晶系P-1空间群,配合物2属于单斜晶系P21/c 空间群,两者都是四连接具有sql网络的二维层状结构,且均通过堆叠形成具有两重穿插框架的三维超分子化合物。此外,配合物12对紫外-可见光有着很强的吸收能力,在水中有较强的稳定性,能够作为光催化剂对酸性黄有较好的降解效果。上述研究证明了配合物12是一种非常有潜力的环境修复候选者,未来有望运用于水环境中酸性黄染料污染的治理。

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