利用离子液体双极性电化学合成花瓣状金属有机框架物ZIF-8的Janus微球的方法技术

本发明专利技术公开一种利用离子液体双极性电化学合成花瓣状金属有机框架物(MOFs)ZIF‑8的Janus微球的方法。首先将有机分子配体2‑甲基咪唑溶解在离子液体中，再置于双极性电化学合成槽中，以锌球作为双极性电极，通过双极性电化学方法在锌球阳极表面产生锌离子，锌离子与2‑甲基咪唑结合成具有花瓣形状的金属有机框架ZIF‑8薄膜从而实现制备Janus微球。相对于传统的直接电合成方法，本发明专利技术可任意选择微球材料表面的电沉积点实现对Janus微球材料的可控制备，且制备过程无析氢反应对MOFs薄膜产生的不利影响。本发明专利技术具有成本低，装置简单，操作简易，高度可控，制备过程中不使用有毒试剂，对环境友好等优点。

Bipolar microelectrode electrochemical synthesis of Janus microspheres with petal like organometallic frameworks ZIF-8

The invention discloses a method for synthesizing Janus microspheres of petal like metal organic frameworks (MOFs) ZIF 8 by bipolar electrochemical synthesis of ionic liquids. First, the organic ligand 2, the methyl imidazole, was dissolved in the ionic liquid and then placed in a bipolar electrochemical synthesis tank. The zinc sphere was used as a bipolar electrode. Zinc ions were produced on the surface of the zinc ball anode by bipolar electrochemical method. Zinc ions were combined with 2 methyl imidazole to form a metal organic frame with petal shape ZIF 8. The Janus microspheres were prepared by the film. Compared with the traditional Direct Electrosynthesis method, the invention can choose the electric settling point of the surface of the microsphere material to realize the controllable preparation of the Janus microsphere material, and the preparation process has no adverse effect on the MOFs film produced by the hydrogen evolution reaction. The invention has the advantages of low cost, simple device, simple operation, controllable height, no toxic reagent in preparation process, and environmental friendliness.

【技术实现步骤摘要】
利用离子液体双极性电化学合成花瓣状金属有机框架物ZIF-8的Janus微球的方法
本专利技术涉及Janus型材料的制备方法，具体涉及一种利用离子液体双极性电化学合成花瓣状金属有机框架物ZIF-8的Janus微球的方法。
技术介绍
1991年DeGennes教授在诺贝尔奖颁奖大会上首次用Janus来描述同一结构中含有两种不同化学组成或不同极性的非对称结构(DeGennes,P.G.Angew.Chem.Int.Edit.1992,31,842.)，现在Janus这个词用来描述不对称粒子的特征。这种Janus粒子具有独特的物理化学性质，近来已成为新型功能型材料领域的研究热点。双面性的Janus粒子在电子显示器、异质催化、抗反射涂层、纳米马达、药物或基因输送，乳液稳定剂以及结构和功能更复杂的超粒子或器件等领域有着广泛的应用前景(Walther,A.andA.H.E.Müller.ChemicalReviews,2013,113,5194.)。金属有机骨架材料(Metal-OrganicFrameworks,MOFs)是一种通过金属离子与多官能团有机配体配位而成的周期性网状结构的晶体材料。金属有机框架物ZIF-8(Zn(Hmim)2,Hmim＝2-甲基咪唑)是沸石骨架结构的MOFs材料的典型代表。ZIF-8既具有MOFs材料高的孔隙率和大的比表面积以及结构可调性，又具有无机沸石高的稳定性。因此，ZIF-8在气体储存与分离、异相催化、化学传感器、生物医学成像和药物传输等很多方面具有潜在的应用价值。将Janus型材料与ZIF-8结合起来形成一种Janus型金属有机框架物ZIF-8材料从而能够扩展Janus型材料应用。目前Janus型材料主要采用相分离法、半屏蔽法、层层自组装法等制备方法(Walther,A.andA.H.E.Müller.ChemicalReviews,2013,113,5194.)。双极性电化学合成Janus型材料方法是最近科研工作者发现的一种新的合成方法(Fosdick,S.E.,K.N.Knust,etal.AngewandteChemieInternationalEdition,2013,52,10438.)。双极性电化学装置主要由直流电源和连接到直流电源上的驱动电极及其浸在溶液中的导电导体(即双极性电极)组成。在通电条件下，连接到直流电源上的驱动电极形成电场，浸在溶液中并不与驱动电极直接接触的双极性电极在电场作用下产生极化电位，靠近驱动电极阳极的一段产生极化负电位从而形成双电极阴极，靠近驱动电极阴极的一段产生极化正电位从而形成双电极阳极，因此，这种浸在溶液中的具有阴极极化电位和阳极极化电位的导体双极性电极表面上也能发生电化学反应。双极性电化学成本低廉、装置简单、操作简易、不受地域控制的优点。另外，相对于水溶液，离子液体具有电化学窗口宽、蒸汽压低、耐热、不易燃、环境友好等优点，导体双极性电极浸在离子液体中进行电化学反应，能够避免水的干扰，有利于双极性电合成反应。目前未见离子液体反应条件下采用双极性电合成方法制备表面一端覆盖金属有机框架物ZIF-8的Janus型微球的研究报道，尤其是花瓣形状的金属有机框架物ZIF-8。本专利技术提供了一种利用离子液体双极性电化学合成花瓣状金属有机框架物ZIF-8的Janus微球的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用离子液体双极性电化学合成花瓣状金属有机框架物ZIF-8的Janus微球的方法。本专利技术实现上述目的的技术方案具体为：一种利用离子液体双极性电化学合成花瓣状金属有机框架物ZIF-8的Janus微球的方法，包括如下步骤：(1)构建一种双极性电化学合成体系的装置：双极性电化学合成体系的装置包括直流驱动电源、驱动电极、双极性电极、隔膜和聚四氟乙烯方形槽，由惰性电极铂片或石墨片作驱动电极，驱动电极的阳极和阴极分别用导线连接直流驱动电源正极和负极，驱动电极的阳极和阴极同时分别置于聚四氟乙烯方形槽内的两端，驱动电极阳极和驱动电极阴极之间的距离为2.5cm；双极性电极锌微球放置于驱动电极的阳极和阴极之间，同时用全氟磺酸离子隔离膜将驱动电极的阳极和阴极与双极性电极锌微球物理隔离开；这样聚四氟乙烯方形槽形成了三个隔离的空间部分，聚四氟乙烯方形槽中间部分形成了含双极性电极锌微球的电合成室，聚四氟乙烯方形槽两端的隔离空间分别形成了含驱动电极阳极的阳极室和含驱动电极阴极的阴极室；(2)配制离子液体：将氯化胆碱和乙二醇混合均匀(氯化胆碱和乙二醇的摩尔比优选1～4:100)形成透明的离子液体；(3)将2-甲基咪唑溶解在步骤(2)所得离子液体中，搅拌使其充分溶解，控制2-甲基咪唑在离子液体中的浓度为0.3～3.0mol/L，接着加入对苯醌，搅拌使其充分溶解，对苯醌在离子液体中的浓度为0.005～0.015mol/L，最后得到透明的淡黄色液体；(4)将步骤(3)所得淡黄色液体倒入步骤(1)中的电合成室中，将步骤(2)所得离子液体分别倒入步骤(1)中的阳极室和阴极室；(5)花瓣状的金属有机框架物ZIF-8的Janus微球的制备：控制直流驱动电源的电压为10v～30v，在驱动电极之间形成一个电场，在电场作用下，双极性电极锌微球(锌微球在使用之前用1.0～1.5mol/L盐酸浸泡15～30分钟)两端形成极化阳极和极化阴极，靠近驱动电极阳极一端的锌微球表面形成极化阴极，靠近驱动电极阴极一端的锌微球表面形成极化阳极，在离子液体中的双极性电极锌微球的极化阳极表面电沉积出花瓣状的金属有机框架物ZIF-8薄膜，而双极性电极锌微球的极化阴极表面仅发生对苯醌的氧化反应而没有ZIF-8沉积，因此制备出花瓣状的金属有机框架物ZIF-8薄膜的Janus微球。本专利技术参与反应的试剂均为分析纯，市售。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术利用双极性电化学方法进行电沉积花瓣状的金属有机框架物ZIF-8，所得产品具有非常特别的形貌，为花瓣状。本专利技术的双极性电化学方法能够实现在不规则形状的导电材料表面上任意选择沉积点进行电沉积花瓣状的金属有机框架物ZIF-8。(2)本专利技术利用离子液体为溶剂，避免了水溶剂在电极表面的干扰，制备过程中不使用有毒试剂，对环境友好。(3)本专利技术具有成本低，装置简单，操作简易，高度可控等优点。附图说明图1为实施例1反应前锌微球的SEM图。图2为实施例1反应后锌微球的SEM图。图3为实施例1制得的锌微球表面具有花瓣形状的金属有机框架物ZIF-8材料的SEM图。图4为实施例1制得的花瓣形状的金属有机框架物ZIF-8材料的XRD图。具体实施方式为了更好的理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例1(1)构建一种双极性电化学合成体系的装置：双极性电化学合成体系的装置由直流驱动电源、石墨片驱动电极、双极性电极锌微球、全氟磺酸离子隔膜和聚四氟乙烯方形槽组成。驱动电极的阳极和阴极分别用导线连接直流驱动电源正极和负极，石墨片驱动电极的阳极和阴极同时分别置于聚四氟乙烯方形槽内的两端，石墨片驱动电极阳极和石墨片驱动电极阴极之间的距离为2.5cm；双极性电极锌微球放置于驱动电极的阳极和阴极之间，同时用全氟磺酸离子隔膜将石墨片驱动电极的阳极和阴极与双极性电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用离子液体双极性电化学合成花瓣状金属有机框架物ZIF‑8的Janus微球的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)一种双极性电化学合成体系的构建：双极性电化学合成体系的装置包括直流驱动电源、驱动电极、双极性电极和隔膜，直流驱动电源的正负极分别连接驱动电极的阳极和阴极，驱动电极的阳极和阴极之间放置双极性电极，双极性电极与驱动电极阴阳极之间分别用隔膜隔开分别形成阴极室，电合成室和阳极室；(2)将氯化胆碱和乙二醇混合均匀形成透明的离子液体；(3)将2‑甲基咪唑溶解在步骤(2)所得离子液体中，搅拌使其充分溶解；再加入对苯醌，搅拌使对苯醌充分溶解，得到透明的淡黄色液体；(4)以锌微球作为步骤(1)中的双极性电极，将步骤(3)制备的淡黄色液体倒入步骤(1)中的电合成室中，将步骤(2)制备的离子液体倒入步骤(1)中的阳极室和阴极室；(5)控制直流驱动电源的电压，仅在离子液体中的双极性电极锌球的阳极表面电沉积获得花瓣状的金属有机框架物ZIF‑8薄膜，从而得到花瓣状金属有机框架物ZIF‑8的Janus微球。

【技术特征摘要】
1.一种利用离子液体双极性电化学合成花瓣状金属有机框架物ZIF-8的Janus微球的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)一种双极性电化学合成体系的构建：双极性电化学合成体系的装置包括直流驱动电源、驱动电极、双极性电极和隔膜，直流驱动电源的正负极分别连接驱动电极的阳极和阴极，驱动电极的阳极和阴极之间放置双极性电极，双极性电极与驱动电极阴阳极之间分别用隔膜隔开分别形成阴极室，电合成室和阳极室；(2)将氯化胆碱和乙二醇混合均匀形成透明的离子液体；(3)将2-甲基咪唑溶解在步骤(2)所得离子液体中，搅拌使其充分溶解；再加入对苯醌，搅拌使对苯醌充分溶解，得到透明的淡黄色液体；(4)以锌微球作为步骤(1)中的双极性电极，将步骤(3)制备的淡黄色液体倒入步骤(1)中的电合成室中，将步骤(2)制备的离子液体倒入步骤(1)中的阳极室和阴极室；(5)控制直流驱动电源的电压，仅在离子液体中的双极性电极锌球的阳极表面电沉积获得花瓣状的金属有机框架物ZIF-8薄膜，从而得到花瓣状金属有机框架物ZIF-8的Janus微球。2.根据权利要求1所述的利用离子液体双极性电化学合成花瓣状金属有机框架物ZIF-8的Janus微球的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述驱动电极为惰性电极铂片或石墨片；所述双极性电极为金属导体锌微球。3.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：易捷，祁朋飞，杨穗，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43