类沸石咪唑骨架ZIF-8复合材料构筑及其应用

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  摘要:本文以石墨烯量子点为基体,在边缘接枝甲基咪唑,再与锌离子络合形成含石墨烯量子点的类沸石咪唑骨架ZIF-8复合材料。其中,柠檬酸为碳源,组氨酸提供甲基咪唑为配体。利用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、红外光谱、吸附等手段研究复合材料的微观结构和对VOCs的监测效果。制备的类ZIF-8复合材料具有三维多孔结构,将其作为荧光探针,二甲苯、丙酮和甲醛三种VOCs作为监测目标,吸附结果表明复合材料对二甲苯、丙酮和甲醛均具有良好的监测灵敏度,其中对二甲苯的监测灵敏度更高,检测极限达到0.014 μg/mL。
  关键词:石墨烯量子点;沸石咪唑酯骨架材料;复合材料;挥发性有机物;吸附
  中图分类号:TB48;TB33;TQ424 文献标识码:A 文章编号:1400 (2021) 06-0043-04
  Preparation of Like Zeolite Imidazole Framework ZIF-8 Composites and Their Applications
  — For monitoring and Treating VOCs in Packaging Industry
  JIAO Jie-ming1,2, ZHAO Wei-na2, CHENG You-liang2*, ZHU Jia2(1. Shenzhen Glareway Science and Technology Co Ltd, Shenzhen 518110, China; 2. Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)
  Abstract: This work aims to prepare like zeolite imidazole framework ZIF-8 composites using graphene quantum dots GQDs as the matrix, and methylimidazole was grafted on the edges, and then complexed with zinc ions. For preparing the composites, citric acid was used as carbon source, histidine as methylimidazole and zinc chloride as the source of zinc ions. The analysis methods including SEM, TEM, XRD, FT-IR and adsorption experiments were used to study the microstructure of composite materials and the monitoring effect on VOCs. These results showed that as-prepared composites had a threedimensional porous structure. When they were used as fluorescence probes, three VOCs, including xylene, acetone and formaldehyde, were used as monitoring targets. The results showed that the composites had a good sensitivity for the detection of xylene, acetone and formaldehyde. The sensitivity of xylene was highest, and the detection limit reached 0.014 μg/mL.
  Key words: graphene quantum dots; zeolite imidazole framework; composite materials; volatile organic compounds; adsorption
  VOCs(Volatile Organic Compounds,挥发性有机化合物)广泛存在于生活和工业生产环境中,其在大气中形成的光化学烟雾,大多具有致癌、致畸、致突变性,对环境和人体健康危害很大[1]。2019年国家发展改革委等部门首次将VOCs综合治理列入《绿色产业指导目录(2019年版)》的主要内容[2]。目前,VOCs还广泛存在于印刷包装领域,而印刷包装企业控制VOCs排放最绿色环保经济的方法,是从材料及工艺过程进行源头治理,但从现实的工业过程和技术角度,仍不可避免的有很多VOCs排放,故末端治理仍是必需措施[3]。
  1 背景
  我国印刷包装业不断向绿色环保方向发展,这就要求不仅要有绿色环保意识,更要有实际行动,因此对VOCs进行检测、监测、治理去除已迫在眉睫[4]。在末端治理措施中,吸附回收技术无论从绿色环保还是经济效益,都是值得提倡的[5]。吸附法是利用吸附剂将流体中的组分吸附于表面,后采用适宜的方式解吸,以达到分离的目的[6]。此法去除率高、无二次污染、净化效率高,操作简便[7]。
  近年来,关于VOCs吸附剂的报道主要包括活性炭、沸石分子筛和金属有机框架材料等种类。目前,印刷包装企业主要采取活性炭进行吸附[8],虽然活性炭在VOCs吸附回收已取得一定成绩,但存在品種单一、吸附容量低、再生困难、且吸附性能受水气影响大等不利因素,在实际工业应用中仍有待提高。已有研究表明,大多数分子筛比表面积低于活性炭,从而导致吸附量小于活性炭,另外材料表面均匀性会影响吸附热[9]。金属有机框架材料是一类由金属中心或金属团簇与有机配体通过配位作用自组装而成的多孔骨架晶体材料[10],其巨大的比表面积,显示出极强的气体吸附能力[11]。金属有机框架材料对VOCs的吸附性能高于活性炭、沸石分子筛及其他吸附剂已有文献报道[12,13]。报道的金属有机框架材料包括Ui-66[14]、ZIF-67[15]、MIL-100[16]、HKUST-1[17]、MOF-177[18]等。目前,在石墨烯量子点(GQDs)为基体形成类ZIF-8复合材料的研究还鲜见报道。   金属有机框架材料在现代材料学领域发展前景诱人,潜在应用领域广泛。本文将GQDs与甲基咪唑和锌离子复合,制备出复合材料以提高对VOCs的吸附、检测性能。以二甲苯、丙酮和甲醛三种有机挥发性气体作为监测目标,利用含有GQDs的類ZIF复合材料作为荧光探针来检测其用于VOCs监测时的效果。
  2 实验
  2.1 原料与仪器
  2.1.1原料
  柠檬酸,化学纯,天津嘉宇精细化工有限公司;组氨酸、氯化锌、氢氧化钠、甲苯、乙酸乙酯、无水乙醇,分析纯,天津天力化学试剂有限公司;浓盐酸,质量分数37%,洛阳昊华化学试剂有限公司;7000Da、500Da透析袋,陕西德祥实验设备有限公司。
  2.1.2仪器
  真空干燥箱,ZK,北京科伟永兴仪器有限公司;电热恒温水浴锅,DZKW-D-1,陕西德祥实验设备有限公司;油浴锅,陕西德祥实验设备有限公司;集热式恒温加热磁力搅拌器,DF-101S,河南予华仪器有限公司;数控超声波清洗机,KQ3200DE,昆山市超声仪器有限公司;电子天平,CPA225D,德国赛多利斯公司;Cence高速离心机,H1850,湘仪公司;电热鼓风干燥箱,WGL-65B,天津泰斯特仪器有限公司;X射线衍射仪,XRD-7000,SHIMADZU LIMITED;场发射扫描电镜,SU-8000,日本日立公司;傅里叶变换红外光谱仪,SHIMADIU FTIR-8400S(CE),日本岛津公司;荧光光谱仪,F-4600,日本日立公司。
  2.2 试验方法
  2.2.1 His-GQDs的制备
  将柠檬酸与组氨酸混合加入到去离子水中,搅拌均匀直至液体无色,放入真空冷冻干燥箱干燥24h,得到干燥的白色固体。将得到的白色固体在220℃加热120min,加热过程中白色固体逐渐变为橙黄色液体,加热完成后自然冷却。配置10 mg/mL的氢氧化钠溶液,逐滴加入到橙黄色液体中(氢氧化钠溶液与橙黄色液体的质量比为30:1),并在500 rpm速率下磁力搅拌15min,得到碱化液。用10 wt%的稀盐酸调节至pH=7,用7000Da的透析袋透析24h,每6h更换一次去离子水,收集透析袋内液,再将收集到的液体用500Da的透析袋透析24h,每6h更换一次去离子水,收集内液,真空干燥得到产物为His-GQDs。
  2.2.2 类ZIF-8复合材料的制备
  配制浓度为0.5 mol/L的氯化锌溶液,2.0 mg/ mL的His-GQDs溶液,按照体积比ZnCl2:HisGQDs = 1:5,将二者在7000 rpm转速下共混15min,之后在转速3000 rpm下离心5min,用去离子水清洗三次,得到的固体产物即为类ZIF-8复合材料。
  2.2.3 测定指标与方法
  1)扫描电子显微镜(SEM)
  采用日本日立公司生产的SU-8000 场发射(FE)型扫描电镜在不同倍数下观察制备的类ZIF-8复合材料的形貌,电压为1 kV。
  2)傅里叶变换红外光谱(FT-IR)
  对制备的类ZIF-8复合材料进行红外表征。采用傅里叶变换红外光谱仪器在400~4000cm-1范围内通过KBr压片法对制备的样品进行红外光谱测定。
  3)X射线衍射(XRD)
  采用X射线衍射仪在衍射角度5~50°范围内对制备的样品进行测定,扫描速率4°每分钟。所有检测样品为样品烘干后所得粉末,平铺在载玻片上。
  4)吸附性能分析
  选择二甲苯、丙酮和甲醛三种有机挥发性气体作为监测目标,在一系列比色管中加入等量的类ZIF-8复合材料溶液与磷酸盐缓冲溶液,然后加入不同浓度的VOCs溶液,室温下静置几分钟后,利用荧光光谱仪采用370nm波长激发,并记录荧光发射光谱。
  3 结果与讨论
  3.1 ZIF-8@GQDs的形貌分析
  图1为制备的类ZIF-8复合材料的SEM图,从中可以看出复合材料具有正四边形立方体结构,是由平均粒径在20-40 nm的三维纳米粒子组成。其与ZIF-8形貌上的差异主要归因于His-GQDs特殊的结构。2-甲基咪唑是小分子配体,在晶体生长过程中,其较小的尺寸和空间位阻有利于晶体的生长和重排,从而形成大而规则的类ZIF-8晶体。与一维的2-甲基咪唑不同,His-GQD中大量纳米石墨烯薄片和大量的边缘基团形成了这种三维纳米颗粒。由于晶体尺寸大,空间位阻大,结晶过程较差,这极大地限制了晶体的生长和排列,导致微小而不规则的纳米晶体的形成。
  3.2 类ZIF-8复合材料的结构分析
  图2(a)是类ZIF-8复合材料的FT-IR图,其中大部分的吸收谱带与咪唑单元的振动有关。如在1575cm-1的特征峰归因于C=N伸缩振动,在1350-1500cm-1频带范围内与咪唑环伸缩振动有关。C-S和S-O伸缩振动峰分别出现在510cm-1和1050cm-1处,3500cm-1处的O-H伸缩振动峰与GQDs的吸收带相对应。图2(b)为类ZIF-8复合材料的XRD谱图。在XRD谱图上,25°附近处有一个微弱的衍射峰,对应于石墨的(002)晶面,10°和18°处的衍射峰则分别对应于ZIF-8的(002)和(222)。结果验证了制备的复合材料不仅含有His-GQDs,还具有类ZIF-8结构。
  3.3 类ZIF-8复合材料的检测灵敏度分析
  以二甲苯、丙酮和甲醛三种有机挥发性气体作为监测目标,利用制备的类ZIF-8复合材料作为荧光探针来检测其用于VOCs监测时的效果。当吸附VOCs后,会产生荧光猝灭,随着吸附的VOCs浓度逐渐增大,复合材料的荧光强度逐渐减弱。图3为ZIF-8@ GQDs复合材料对二甲苯、丙酮和甲醛的检测极限结果。可知,制备的类ZIF-8复合材料对二甲苯、丙酮和甲醛具有良好的监测灵敏度,其中对二甲苯的监测灵敏度更高。当柠檬酸与组氨酸比例为2:1,ZnCl2与His-GQDs比例为1:5时检测灵敏度最高,检测极限达到0.014μg/mL。
  4 结论
  本文制备出一种含有石墨烯量子點的复合材料,测试分析结果证明了其具有ZIF-8的类似结构。将制备的类ZIF-8复合材料作为荧光探针,其对VOCs具有良好的监测灵敏度,其中对二甲苯的监测灵敏度最高,检测极限达到0.014μg/mL。这种复合材料存在着大量的羟基、羧基和未与锌离子结合的咪唑基,在以后的工作中可以进一步优化工艺,利用其表面、边缘大量存在的官能团,拓展其在特异性吸附方面的应用。
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