砷钼基多金属氧酸盐的合成与性质研究

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砷钼基多金属氧酸盐具有优秀的光催化性质和电催化活性,近年来得到多酸化学家的广泛关注。但是其制备方法往往需使用到高毒性的有机砷,三氧化二砷或五氧化二砷,这使得目前相关报道受到了限制。本文通过改变砷源,使用毒性相对低的NaAsO2,利用简单一步水热合成,控制反应温度与时间,调控体系的pH值,选取不同的含氮有机配体和过渡金属,合成了10例由不同种多酸阴离子构成的砷钼基多金属氧酸盐。此外,通过X-射线单晶衍射、元素分析、ICP、FT-IR、TG、紫外-可见漫反射、XPS光电子能谱和比表面积测试对10例晶体结构进行表征,结合价键计算(BVS)确定了其分子式为:  [Hdmap]4[(CuO6)(As3O3)2Mo6O18](1)  [Hdmap]4[(CoO6)(As3O3)2Mo6O18](2)  [Co(phen)(H2O)4]2[(CoO6)(As3O3)2Mo6O18]·2H2O(3)  {[Co(phen)2(H2O)]2[(CoO6)(As3O3)2Mo6O18]}·4H2O(4)  {[Zn(biim)2(H2O)]2[(ZnO6)(As3O3)2Mo6O18]}·4H2O(5)  (bpp)2[AsⅢ2AsV2Mo18O62]·2H2O(6)  (4,4-bpy)4[AsⅢ2AsV2Mo18O62](7)  [{Cu(pyr)2}6{As2Mo18O62}](8)  [{Ag(pyr)2}6{As2Mo18O62}](9)  [{Cu(btp)2}3{As2Mo18O62}](10)  [dmap=4-dimethylaminopyridine;phen=1,10-phenanthroline;biim=biimidazole;bpp=1,3-bis(4-pyridyl)propane;4,4-bpy=4,4-bipyridine;pyr=pyrazole;btp=1,3-bis(1,2,4-triazol-1-yl)propane]  X-射线单晶衍射结构分析化合物1-5中均含有[(MO6)(As3O3)2Mo6O18]4-多酸阴离子:化合物1和化合物2是同构的,仅过渡金属不同,两个有机配体dmap分子游离在多酸阴离子外部形成了超分子结构;化合物3中,Co与有机配体phen分子和晶格水分子配位游离在多酸阴离子外部;化合物4中,Co与有机配体phen分子和水分子配位,进而与多酸阴离子上的端氧原子连接形成了结构新颖的双支撑结构;化合物5的晶体结构与化合物4是相似的,Zn-biim形成的金属配合物与多阴离子上的端氧原子连接形成了双支撑结构。  在化合物6-10中,均由Wells-Dawson型多阴离子[As2Mo18O62]6-构成,化合物6与化合物7结构相似,在多阴离子上出现两个非对称的As帽,有机配体bpp与4,4-bpy游离在多酸阴离子外部形成了超分子结构;化合物8和化合物9是同构的,过渡金属分别为Cu和Ag,每个Cu原子和两个有机配体pyr分子配位,形成的金属配合物{Cu(pyr)2}与赤道位上的{MoO6}八面体上的Ob和Ot原子隔位相连接,构成了一个有趣的“风火轮”结构。金属配合物{Cu(pyr)2}进而和多酸阴离子上的端氧原子配位形成了三维框架,分别将每一个[As2Mo18O62]6-多阴离子,Cu1和Cu2原子进行节点简化得到了其拓扑结构,其拓扑符号为{812·123}{8}3。值得一提的是,在化合物8中多阴离子[As2Mo18O62]6-作为十二齿连接单元与Cu原子相连,从而形成了一种结构新颖的蜂巢状框架,目前文献报道中还没见过具有此框架的Wells-Dawson型砷钼化合物。化合物10是第一例由柔性btp修饰的Wells-Dawson型砷钼基金属有机骨架,Cu原子和四个有机配体btp分子形成了一个具有较大孔道的金属有机框架,其孔道尺寸为15.378×17.473(A)。[As2Mo18O62]6-多酸阴离子作为六齿连接单元通过端氧原子Ot嵌入到{Cu-btp}金属有机框架当中形成了结构新颖的三维多酸金属有机框架。将[As2Mo18O62]6-多酸阴离子,Cu1原子分别作为(6,6)节点,进而得到了其三维拓扑框架,拓扑符号为{46.55.62.72}3{46.56.73}。  对合成化合物进行了光催化性质测试,结果表明化合物3-7对有机染料亚甲基蓝(MB)具有明显的光催化效果。化合物8和9对有机染料MB、罗丹明B(RhB)、甲基橙(MO)、偶氮荧光桃红(AP)、刚果红(CR)均具有优秀的光催化效果;化合物10对有机染料MB和RhB具有高效且稳定的光催化效果。对10例化合物在室温条件下进行了荧光性质测试,实验结果表明化合物1-10均是潜在的发光材料。对化合物1-9进行了电化学性质和电催化性质研究,实验结果表明均具有良好的循环伏安稳定性;化合物1-5对NaNO2的水溶液具有良好的电催化还原活性,化合物6-9对H2O2的水溶液具有良好的电催化还原特性。此外,将化合物10首次作为锂离子电池负极材料,并对其充放电性能进行了研究。实验结果表明,在第一次循环时,电流密度为100mA·g-1下其充电容量为1050mA·h·g-1,并且在循环240次以后充电容量仍能保持在870mA·h·g-1。
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