离子热法合成开放骨架材料及其表征

开放骨架化合物，如分子筛材料，具有均一的孔道分布、多样的组成和结构。包含金属的开放骨架化合物在光学、电学、磁学、催化等方面有着独特的物理化学性质，在吸附、分离、催化、离子交换及主客体组装等许多领域都具有广泛的应用前景。合成具有特殊功能和新颖骨架结构的开放骨架材料，一直是整个材料领域的热点研究方向之一。 离子液体是一种以阴阳离子配位形式存在的非传统熔融盐，其不仅可以作为溶剂，还可以作为无机材料的模板剂和前驱体。它不同于水和醇溶剂，离子液体具有低熔点、高沸点、可循环利用等特征。本论文利用新近发展的离子热合成方法在金属掺杂的亚磷酸盐、硅锗酸盐等领域进行了系统的合成研究，主要研究成果包括： 1.首次利用离子热合成体系，合成出手性硅锗酸盐分子筛JIS-SU-32，其中离子液体[Emim]Br与2-甲基-1,5-戊二胺共同作为模板剂。并通过高通量实验的方法摸索出有关调变硅锗比、温度、时间、离子液体种类和用量等的合成相图。硅锗比和离子液体的种类在反应中起主导作用，反应温度和时间影响晶体生成的大小。当保持相同反应配比，在不加入氢氟酸进行矿化作用时，制备出的是致密的毒铁矿结构的硅锗酸盐，其硅锗比为1:1。当加入氢氟酸调变配比可以得到产物JIS-SU-32，产物结构中的硅锗比为3:1，具有较高的热稳定性。 2.在离子热条件下,合成出首个Mn/P为2/3的二维层状金属亚磷酸锰化合物（NH4）4[Mn4（HPO3）6]（JIS-10）。该化合物中Mn以Mn-O-Mn二聚体形式存在，与亚磷酸盐假四面体[HPO3]结构交替连接，形成平行于ab平面的2D层状结构；铵根离子NH4+在层间与[HPO3]进行氢键作用，起到连接各层的作用。其总体呈现为反铁磁性。利用Heisenburg模型的计算表明，该化合物中的锰离子自旋为5/2，其磁相互作用源于结构中反铁磁相互作用的双聚锰单元。 3.利用离子热合成体系制备出一种混合价态的金属亚磷酸铁化合物Fe2ⅡFeⅢ（NH4）(HPO3)4（JIS-11）。JIS-11是比较少见的二价和三价铁混合的三维开放骨架化合物，离子液体分解成铵根离子NH4+，在沿[001]方向上孔道中，起到支撑骨架的作用。该产物磁性总体呈现为反铁磁有序。 4.利用离子热合成体系制备出一种金属亚磷酸铁化合物Fe2（HPO3）3（JIS-12）。JIS-12沿[001]方向存在12元环孔道，三价铁离子以二聚体形式存在。该化合物与1991年用水热法合成的化合物同构。