一种用于气体分离的钴金属有机框架晶体材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及功能晶体材料领域，特别涉及一种用于气体分离的钴金属有机框架晶体材料及其制备方法与应用

【技术实现步骤摘要】
一种用于气体分离的钴金属有机框架晶体材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及功能晶体材料领域，特别涉及一种用于气体分离的钴金属有机框架晶体材料及其制备方法与应用
。

技术介绍

[0002]空气的主要成分是氮气（占
78%
）和氧气（占
21%
），是制备氮气和氧气取之不尽的源泉
。
氮气主要用于合成氨
、
金属热处理的保护气氛
、
化工生产中的惰性保护气
、
粮食贮存
、
水果保鲜和电子工业等；氧气主要用于冶金
、
助燃气
、
医疗
、
废水处理和化学工业中的氧化剂等
。
如何廉价地分离空气制取氧气和氮气
,
这是化工工作者长期潜心研究解决的问题
。
[0003]工业上分离空气的传统方法是采用深冷分离法，即将空气冷却到
‑
150℃
以下
,
再用低温精馏的方法实现分离
。
该法可以同时得到氮气和氧气，还可以得到液氮和液氧
。
然而，低温精馏存在能耗高
、
流程长
、
启动过程长
、
设备维护要求高等缺点
。
近年来，变压吸附技术受到越来越多的关注，该法是利用吸附剂对气体的选择性吸附的特性进行工作
。
金属有机框架（
metal
‑
organicframework
，
MOF
）是一种由金属离子和有机配体通过配位键相结合形成的新型晶态多孔材料，由于具有独特的成分多样性
、
结构可设计性和孔隙率可调等特点，
MOF
在气体吸附与分离
、
催化
、
发光
、
药物缓释和能源储存等领域表现出优异的性能
。
目前利用
MOF
作为气体吸附剂的研究已经非常多，包括氢气存储
、
二氧化碳捕获以及轻质烃分离等，但
MOF
本身用于常温差压下分离氮气和氧气的研究鲜有报道，且该类材料的设计合成也存在较大的难度
。
[0004]本专利技术利用含氮三羧酸和柔性双咪唑配体，与钴离子合成了一种具有超微孔结构的
MOF
晶体材料，实现了室温下对氮气和氧气的分离
。
本专利技术制备的钴
MOF
作为一种新型晶态多孔材料，有望应用于冶金
、
助燃气
、
医疗制氧等领域，对解决当前气体吸附分离领域面临的相关问题具有重要的参考价值
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种用于气体分离的钴金属有机框架晶体材料及其制备方法与应用
。
所述钴
MOF
晶体材料在室温下能较大量地吸附氮气
、
二氧化碳，而对氧气
、
甲烷具有较低的吸附量，能够较好地分离这几种气体，尤其是氮气和氧气的分离，可作为潜在的多孔材料，在冶金
、
助燃气
、
医疗制氧等领域产生良好的应用前景
。
[0006]本专利技术采用如下的技术方案实现：一种用于气体分离的钴金属有机框架晶体材料，其化学式为
{[Co3(NTB)2(bmip)]·
(DMA)2}
n
，命名为
Co
‑
MOF
，其中主配体为
4,4
′
,4
″‑
三甲酸三苯胺（
H3NTB
），辅助配体为
1,3
‑
二甲基咪唑丙烷（
bmip
）
。
[0007]在以上方案的基础上，进一步的，所述
Co
‑
MOF
结晶于单斜晶系中的
C2/c
空间群，晶胞参数为：
a= 18.4295(5)
ꢀÅ
，
b= 12.9313(4)
ꢀÅ
，
c= 25.1277(7)
ꢀÅ
；
α
=90
°
，
β
= 96.1020
(10)
°
，
γ
= 90
°
。
[0008]在以上方案的基础上，进一步的，所述
Co
‑
MOF
的结构特点在于：相邻
Co
2+
形成三核金属簇，主配体
H3NTB
与
Co
离子簇连接形成二维层，进一步由辅助配体
bmip
连接形成三维层
‑
柱框架结构，两个相似的层柱框架相互穿插，最终形成一个具有超微孔的双重互穿结构，孔道中为游离的
DMA
分子
。
[0009]在
Co
‑
MOF
的不对称结构单元中，存在含有两个晶体学独立的
Co
2+
、
一个
NTB3‑
配体
、
二分之一个
bmip
配体和一个游离的
DMA
分子；其中，
Co1
分别与六个不同
NTB3‑
配体上的六个羧基氧原子配位，形成扭曲的八面体几何构型；
Co2
分别与三个不同
NTB3‑
配体上的四个羧基氧原子和一个
bmip
配体上的氮原子配位，形成扭曲的三角双锥几何构型
。NTB3‑
配体上的三个羧酸采用
μ2‑
η1：
η1和
μ2‑
η2：
η1两种连接模式与
Co
2+
离子配位
。
[0010]相邻
Co
2+
通过六个羧基连接在一起，形成一个三核
{Co3(COO)6}
簇
。
每个
Co3簇作为次级结构单元通过六个
NTB3‑
配体与周围六个
Co3簇配位连接组成一个二维层状结构
。bmip
作为柱配体将相邻的层进一步连接，形成层
‑
柱框架
。
两个相同的框架互相穿插在一起，形成最终的双重互穿型框架结构，简化后其拓扑类型为
tfz
‑
d
，
Schla
̈
fli
符号为
{43}2{46.6
18
.84}。
经
PLATON
计算得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于气体分离的钴金属有机框架晶体材料，其特征在于：其化学式为
{[Co3(NTB)2(bmip)]
·
(DMA)2}
n
，命名为
Co
‑
MOF
，其中主配体为
4,4
′
,4
″‑
三甲酸三苯胺（
H3NTB
），辅助配体为
1,3
‑
二甲基咪唑丙烷（
bmip
）
。2.
根据权利要求1所述的用于气体分离的钴金属有机框架晶体材料，其特征在于：所述
Co
‑
MOF
结晶于单斜晶系中的
C2/c
空间群，晶胞参数为：
a= 18.4295(5)
ꢀÅ
，
b= 12.9313(4)
ꢀÅ
，
c= 25.1277(7)
ꢀÅ
；
α
=90
°
，
β
= 96.1020(10)
°
，
γ
= 90
°
。3.
根据权利要求1所述的用于气体分离的钴金属有机框架晶体材料，其特征在于：所述
Co
‑
MOF
的结构特点在于：相邻
Co
2+
形成三核金属簇，主配体
H3NTB
与
Co
离子簇连接形成二维层，进一步由辅助配体
bmip
连接形成三维层
‑
柱框架结构，两个相似的层
‑
柱框架相互穿插，最终形成一个具有超微孔的双重互穿结构，孔道中为游离的
DMA
分子
。4.
根据权利要求3所述的用于气体分离的钴金属有机框架晶体材料，其特征在于：在
Co
‑
MOF
的不对称结构单元中，存在含有两个晶体学独立的
Co
2+
、
一个
NTB3‑
配体
、
二分之一个
bmip
配体和一个游离的
DMA
分子；其中，
Co1
分别与六个不同
NTB3‑
配体上的六个羧基氧原子配位，形成扭曲的八面体几何构型；
Co2
分别与三个不同
NTB3‑
配体上的四个羧基氧原子和一个
bmip
配体上的氮原子配位，形成扭曲的三角双锥几何构型
;NTB3‑
配体上的三个羧酸采用
μ2‑
η1：
η1和
μ2‑
η2：
η1两种连接模式与
Co
2+
离子配位；相邻...

【专利技术属性】
技术研发人员：李凡翠，张振威，胡慧，张大帅，张永正，耿龙龙，王金华，邓雨晨，李斌，李振，
申请(专利权)人：德州学院，
类型：发明
国别省市：