Tổng hợp vật liệu Zn-ZIF có độ kết tinh cao trong dung môi nước ở nhiệt độ phòng định hướng xúc tác phân hủy chất thải ô nhiễm 4-nitrophenol
Abstract
In this study, a zeolitic imidazolate framework based on ZnN4 cluster was synthesized in water at room temperature. The reaction was studied by combination of ZnSO47H2O with linker 2-methylimidazole (2‑HmIm) in various conditions of 2-HmIm concentration and mole ratios of 2‑HmIm/Zn. The structure of the resulting material was characterized by powder X-ray diffraction (PXRD). The morphology of the compound was observed by scanning electronic microscopy (SEM) and the elemental composition was determined by energy dispersion X-ray spectroscopy (EDS). Thermal gravimetric analysis (TGA) was used to illustrate the thermal stability of the material. It was demonstrated that the obtaining Zn-ZIF was successfully synthesized by green method with high crystallinity and high thermal stability. The product was further subjected to catalyze the reduction reaction of environmental pollutant 4-nitrophenol with reducing agent NaBH4. The preliminary study showed that the pristine Zn-ZIF did not exhibit catalytic activity due to fully saturated ZnN4 sites. This result paves the research direction to the way of modifying the pristine material resulting in unsaturated metal sites distributed on the carbon framework.
Tóm tắt
Vật liệu khung cơ kim cấu trúc zeolite dựa trên cluster tứ diện ZnN4 được tổng hợp trong dung môi nước, ở nhiệt độ phòng. Phản ứng được khảo sát với nguồn muối kẽm ZnSO47H2O kết hợp với linker 2‑methylimidazole (2‑HmIm) ở những điều kiện khác nhau về nồng độ của 2‑HmIm và tỉ lệ mol 2‑HmIm/Zn. Cấu trúc của vật liệu được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (PXRD). Hình thái của mẫu được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và thành phần nguyên tố được phân tích bằng phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS). Độ bền nhiệt của vật liệu được xác định qua phân tích nhiệt trọng lượng (TGA). Kết quả cho thấy vật liệu Zn-ZIF được tổng hợp thành công theo quy trình hóa học xanh với độ kết tinh cao và độ bền nhiệt lớn. Sản phẩm được tiếp tục sử dụng làm xúc tác phản ứng khử 4‑nitrophenol với chất khử NaBH4. Nghiên cứu sơ bộ cho thấy Zn-ZIF chưa biến tính không thể hiện hoạt tính xúc tác do các vị trí ZnN4 đã hoàn toàn bão hòa. Kết quả nghiên cứu này mở ra định hướng biến tính vật liệu tạo các tâm kim loại chưa bão hòa được bố trí phân tán trên khung sườn carbon.
Article Details
Tài liệu tham khảo
Chen, B., Zhuxian Y., Yanqiu Z., & Yongde X. (2014). Zeolitic imidazolate framework materials: recent progress in synthesis and applications. Journal of Materials Chemistry A, 2(40), 16811-31. https://doi.org/10.1039/C4TA02984D.
Cravillon, J., Roman N., Sergej S., Armin F., Klaus H., & Michael W. (2011). Controlling zeolitic imidazolate framework nano-and microcrystal formation: insight into crystal growth by time-resolved in situ static light scattering. Chemistry of Materials, 23(8), 2130-41. https://doi.org/10.1021/cm103571y.
Gross, A. F., Elena S., & John J. V. (2012). Aqueous room temperature synthesis of cobalt and zinc sodalite zeolitic imidizolate frameworks. Dalton transactions, 41(18), 5458-60. https://doi.org/10.1039/C2DT30174A.
Hasan, Z., & Sung H. J. (2015). Removal of hazardous organics from water using metal-organic frameworks (MOFs): plausible mechanisms for selective adsorptions. Journal of hazardous materials, 283, 329-39. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2014.09.046.
Hu, Z., Benjamin J. D., & Jing L. (2014). Luminescent metal–organic frameworks for chemical sensing and explosive detection. Chemical Society Reviews, 43(16), 5815-40. https://doi.org/10.1039/C4CS00010B.
Huang, X‐C., Yan‐Yong L., Jie‐Peng Z., & Xiao‐Ming C. 2006. Ligand‐directed strategy for zeolite‐type metal–organic frameworks: zinc (II) imidazolates with unusual zeolitic topologies. Angewandte Chemie International Edition, 45, 1557-59. https://doi.org/10.1002/ange.200503778.
Jian, M., Bao L., Ruiping L., Jiuhui Q., Huanting W., & Xiwang Z. (2015). Water-based synthesis of zeolitic imidazolate framework-8 with high morphology level at room temperature. Rsc Advances, 5(60), 48433-41. https://doi.org/10.1039/C5RA04033G.
Kreno, L. E., Kirsty L., Omar K. F., Mark A., Richard P V. D., & Joseph T. H. (2012). Metal–organic framework materials as chemical sensors. Chemical reviews, 112(2), 1105-25. https://doi.org/10.1021/cr200324t.
Li, J-R., Julian S., and Hong-Cai Z. (2012). Metal–organic frameworks for separations. Chemical reviews, 112(2), 869-932. https://doi.org/10.1021/cr200190s.
Liu, J., Yajuan W., Peizhou L., Yanli Z., & Ruqiang Z. (2017). Selective H2S/CO2 separation by metal–organic frameworks based on chemical-physical adsorption. The Journal of Physical Chemistry C, 121(24), 13249-55. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b04465.
Liu, J., Lianfen C., Hao C., Jianyong Z., Li Z., & Cheng-Yong S. (2014). Applications of metal–organic frameworks in heterogeneous supramolecular catalysis. Chemical Society Reviews, 43(16), 6011-61. https://doi.org/10.1039/C4CS00094C.
Pan, Y., Yunyang L., Gaofeng Z., Lan Z., & Zhiping L. (2011). Rapid synthesis of zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) nanocrystals in an aqueous system. Chemical Communications, 47(7), 2071-73. https://doi.org/10.1039/C0CC05002D.
Park, K. S., Zheng N., Adrien P. C., Jae Y. C., Rudan H., Fernando J U-R., Hee K. C., Michael O., & Omar M. Y. (2006). Exceptional chemical and thermal stability of zeolitic imidazolate frameworks. Proceedings of the National Academy of Sciences, 103(27), 10186-91. https://doi.org/10.1073/pnas.0602439103.
Phan, A., Christian J. D., Fernando J. U-R., Carolyn B. K., Michael O., & Omar M. Y. (2009). Synthesis, structure, and carbon dioxide capture properties of zeolitic imidazolate frameworks. Accounts of Chemical Research, 43(1), 58-67. https://doi.org/10.1021/ar900116g.
Tian, Y‐Q., Yu‐Ming Z., Zhen‐Xia C., Guang‐Ning Z., Lin‐Hong W., & Dong‐Yuan Z. (2007). Design and generation of extended zeolitic metal–organic frameworks (ZMOFs): synthesis and crystal structures of zinc (II) imidazolate polymers with zeolitic topologies. Chemistry–A European Journal, 13(15), 4146-54. https://doi.org/10.1002/chem.200700181.
Wang, C-C., Jian-Rong L., Xiu-Liang L., Yan-Qiu Z., & Guangsheng G. (2014). Photocatalytic organic pollutants degradation in metal–organic frameworks. Energy & Environmental Science, 7(9), 2831-67. https://doi.org/10.1039/C4EE01299B.
Zhang, L., & Yun H. H. (2011). Strong effects of higher-valent cations on the structure of the zeolitic Zn (2-methylimidazole) 2 framework (ZIF-8). The Journal of Physical Chemistry C, 115(16), 7967-71. https://doi.org/10.1021/jp200699n.
Zhang, T., & Wenbin L. (2014). Metal–organic frameworks for artificial photosynthesis and photocatalysis. Chemical Society Reviews, 43(16), 5982-93. https://doi.org/10.1039/C4CS00103F.