金属有机框架材料及其制备方法和在空气集水中的应用技术

本发明专利技术公开了一种金属有机框架材料及其制备方法和在空气集水中的应用

【技术实现步骤摘要】
金属有机框架材料及其制备方法和在空气集水中的应用


[0001]本专利技术涉及新材料领域，具体涉及一种金属有机框架材料及其制备方法和在空气集水中的应用
。

技术介绍

[0002]水资源匮乏是当今世界面临的重大挑战之一，在可预见的未来，水资源紧张的程度预计将会持续恶化
。
为了缓解水资源短缺现状，海水淡化和从空气中收集水等技术正在被开发和应用
。
海水淡化已经取得了一些成功，但它只在沿海地区经济上可行
。
对于内陆国家和地区，受限于昂贵的水运基础设施，实际可操作性低
。
相比之下，大气水收集才是解决偏远地区缺水问题的关键技术之一，具有诱人的应用前景
。
其中，吸附剂辅助的大气水捕获可操作性最强，因为水蒸气被吸附和固定到吸附剂的孔隙中，随后可以通过变温或变压来脱附和收集而得到纯净的饮用水
。
这项技术一方面减少了冷却空气所需的显热，可适用于干旱条件；另一方面消除了时间和地区的限制，使得应用范围更广阔
。
[0003]金属有机框架
(MOFs)
是由次级结构单元和有机配体构成的结晶多孔材料，具有高孔隙率和易于调控等特点，受到了研究者们越来越多的关注
。
基于合适的金属簇和连接体设计，可以在
MOFs
中引入官能团和实现各种拓扑结构，促使
MOFs
孔中能更有效地吸附和固定水分子
。
因此，
MOFs
由于其可调性
、
骨架刚性和水稳定性而成为有前景的吸附剂
。Yaghi
课题组在
2014
年报道的
MOF
‑
801
是最早发现的集水
MOFs
之一，具有较高的稳定性和容量
。
近十年以来，基于
MOFs
的大气水收集的研究越来越多，取得了一些令人振奋的结果
。
然而，高水稳定性和大容量水收集
MOFs
的设计和开发仍是
MOFs
基吸附剂的研究重点
。
[0004]公开号为
CN115193403A
的专利说明书公开了一种金属
‑
有机框架材料
ZPF
‑2‑
M
‑
X
的制备及其在干燥空气中富集水的应用
。
该类金属
‑
有机框架材料由有机配体2‑
羟基
‑5‑
卤素嘧啶和二价金属离子通过配位而获得
。
采用此方法得到的金属
‑
有机框架材料具有可逆吸脱附水蒸气特性，作用湿度低，较大的比表面积和规整的且可调的孔道结构，有利于在干燥空气中进行液态水的收集
。
该金属
‑
有机框架材料在低温下可以吸收干燥空气中的水蒸气，而在高温下又可以释放，从而冷凝并收集成为液态水
。
[0005]公开号为
CN113332959A
的专利说明书公开了一种具有高稳定性的新型铝基金属
‑
有机框架
(MOF)
材料及其制备方法和空气吸水应用，该铝基
MOFs
材料为三维网络结构的固体晶态材料，结构通式为
Al(OH)L
，其中
L
为六元含氮杂环的双羧酸有机配体；所述的
MOFs
材料可作为吸附剂材料从空气中吸附水蒸气
。
其制备过程通过向有机配体上引入
N
杂原子来修饰和改变
MOF
材料孔道的亲水位点分布，使材料的框架从柔性转变为刚性，从而提高材料在低湿度下的吸水量并降低脱附所需要的能量
。

技术实现思路

[0006]第一方面，本专利技术提供了一种金属有机框架材料，结构新颖
、
合成简单
、
性质优异，具有高的水稳定性和较高的水蒸汽吸附量，可用于水吸附
。
[0007]具体的，所述金属有机框架材料由有机配体与
Zr6金属团簇
(Zr
6 cluster)
取代配位连接形成，其形成过程可参见图
1。
[0008]所述有机配体具有如下所示化学结构：
[0009][0010]所述
Zr6金属团簇具有如下所示化学结构：
[0011][0012]所述取代配位的过程中，有机配体通过利用其羧基基团对
Zr6金属团簇中
O
‑
C
‑
O
进行相同结构取代的方式与
Zr6金属团簇形成配位连接
。
[0013]第二方面，本专利技术提供了第一方面所述的金属有机框架材料的制备方法，包括步骤：
[0014](1)
无水无氧条件下，将
1,1,2,2
‑
四
(
噻吩
‑2‑
基
)
乙烯加入到四氢呋喃中，在
‑
75
～
‑
80℃
下加入丁基锂，
‑
80℃
～室温充分混合反应后于
‑
75
～
‑
80℃
通入二氧化碳气体并持续搅拌反应一段时间，然后用盐酸淬灭反应，并用二氯甲烷萃取，所得有机相用饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，旋干有机溶剂得到所述有机配体；
[0015](2)
将所述有机配体和
ZrOCl2加入到
DMF(N,N
‑
二甲基甲酰胺
)
和
FA(
甲酸
)
的混合溶液中进行溶剂热反应，得到所述金属有机框架材料
。
[0016]本专利技术首先设计和合成了一种新颖的含五元硫杂环的有机配体，而后在特定且合适的条件下合成了稳定的金属有机框架材料，该金属有机框架材料在水中具有良好的稳定性，多轮水吸附测试性质重现性优异
。
所述的含五元硫杂环的金属有机框架材料在长期放置后结构和晶型稳定，可以长期使用
。
[0017]步骤
(1)
中，
1,1,2,2
‑
四
(
噻吩
‑2‑
基
)
乙烯为现有技术已经公开的材料，其具有如下所示的化学结构：
[0018][0019]具体的，可通过现有技术获取
1,1,2,2
‑
四
(
噻吩
‑2‑
基
)
乙烯，例如，可参考现有技术文献
Chem.Sci.,2017,8,2629
‑
2639
制备得到
1,1,2,2...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种金属有机框架材料，其特征在于，所述金属有机框架材料由有机配体与
Zr6金属团簇取代配位连接形成；所述有机配体具有如下所示化学结构：所述
Zr6金属团簇具有如下所示化学结构：
2.
根据权利要求1所述的金属有机框架材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)
无水无氧条件下，将
1,1,2,2
‑
四
(
噻吩
‑2‑
基
)
乙烯加入到四氢呋喃中，在
‑
75
～
‑
80℃
下加入丁基锂，
‑
80℃
～室温充分混合反应后于
‑
75
～
‑
80℃
通入二氧化碳气体并持续搅拌反应一段时间，然后用盐酸淬灭反应，并用二氯甲烷萃取，所得有机相用饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，旋干有机溶剂得到所述有机配体；
(2)
将所述有机配体和
ZrOCl2加入到
DMF
和
FA
的混合溶液中进行溶剂热反应，得到所述金属有机框架材料
。3.
根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
中，
1,1,2,2
‑
四
(
噻吩
‑2‑
基
)
乙烯与四氢呋喃的用量比为
0.5
～
1.5g:100mL。4.
根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤
(1)
中：
1,1,2,2
‑
四
(
噻吩
‑2‑
基

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志杰，马思，熊彰熠，史乐，
申请(专利权)人：浙江大学杭州国际科创中心，
类型：发明
国别省市：