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金属-有机骨架化合物凭借其独特的结构可剪裁性、多样的拓扑结构和在氢气存储、离子交换、吸附、分子识别、催化以及光、电、磁、手性拆分等领域的巨大潜在应用,已经发展成为一种新型的多功能材料,受到了各界科学家们越来越多的关注。人们可以通过选择功能性的中心金属离子和具有官能团的有机配体赋予目标化合物以多功能的性质。随着无机杂化材料研究的不断深入,近年来人们发现混合金属离子在一种骨架材料中同时存在,交替与配体配位,可得到更新颖的结构,而且材料会呈现出仅有一种金属离子时所没有的性能,目前人们已经成功地合成了一系列新的3d-4f混合金属杂化物质。3d金属具有许多有趣的性质,但关于3d-3d的混合双金属杂化化合物的报道却相对较少。
配体的选择是混合金属-有机骨架化合物合成的关键,经典的双齿配体4,4’-联吡啶、草酸等不仅具有出色的配位能力,能同很多金属盐形成各种结构的功能聚合物,而且已经被成功用于合成3d-4f混合金属杂化材料。本论文选用这些双齿配体在水热条件下探索合成了三种具有新颖结构的3d-3d混合双金属杂化聚合物[Zn2(ox)3][{CuⅠ(4,4-bipy)}2]·C2H6O2,[Co0.72Zn0.28(ox)(bipy)]和[Co0.96Cd0.04(ox)(bipy)],(ox=oxalate,bipy=4,4-bipyridine),或对已知结构的化合物进行孔道修饰,并对所合成化合物的结构和性质进行了初步的研究。本论文包含了以下三个部分:
1.铜锌混合金属-有机骨架化合物的合成、结构及性质研究选用两种双齿配体在水热条件下合成了一种具有新颖结构的3d-3d混合双金属-有机杂化骨架化合物[Zn2(ox)3][{CuⅠ(4,4-bipy)}2]·C2H6O2,1。在该化合物的合成过程中,二价的铜离子被还原为一价的亚铜离子,同时部分乙二醇分子被氧化生成草酸而与金属离子配位,形成化合物1的骨架结构。化合物1是由多孔的[Zn2(ox)3]n2-层状结构聚合物与[{CuⅠ(4,4-bipy)}2]n2+的一维链相互交错联接而构成的一种罕见的三维骨架结构化合物。
2.同结构的钴锌和钴镉混合金属化合物的合成、结构及性质研究选用3d过渡金属盐-联吡啶-草酸-体系,用水-乙二醇的混合溶剂在水热条件下合成了两个具有相同拓扑结构的配位化合物[Co0.72Zn0.28(ox)(bipy)],2,和[Co0.96 Cd0.04(ox)(bipy)],3,(ox=oxalate,bipy=4,4-bipyridine)。这两种化合物中的金属离子均以无序状态存在,它们的比例分别是化合物2中Co:Zn=0.72:0.28,化合物3中Co:Cd=0.96:0.04。两种金属离子同时存在于同一骨架中使得它们的结构比文献所报道的相同结构的纯钴或纯锌配合物更稳定。另外,与相同结构的纯钴配合物相比,化合物2表现出相对较弱的反铁磁性,这是由骨架结构中掺入部分锌离子引起的。
3.多孔金属-有机骨架ZIF-8的孔道功能化修饰多孔金属-有机骨架材料,具有与分子筛相类似的孔道拓扑结构的大孔道或孔穴,并且具有与有机化合物同样易功能化的特征,可以通过配体有机官能团的修饰或者功能性金属离子的引入使其多功能化。在此选用结构和性质类似于分子筛的ZIF-8单晶,用浸渍法和研磨法探索向其孔道中分别组装银离子簇以及ZnO纳米粒子,并对其形貌进行了初步表征。