含有吡啶醇官能团多孔材料的合成及其对水相中有机物的吸附与光催化降解反应研究

The accumulation of trace amount of organic dyes and pesticides in water has increasingly become a safety issue as these organic molecules are hard to degrade or have slow degradation kinetics. This project proposes the preparation of a class of porous materials derived from pyridine alcohol functionalities for the adsorption and subsequent photocatalytic degradation of organic dyes such as methyl orange and methylene blue in aqueous solutions. The targeted ligands include pyridine alcohol-carboxyl, pyridine alcohol-dicarboxyl, pyridine alcohol-pyridyl and di-pyridine alcohol-pyridyl. Our preliminary results indicate that the chelation of pyridine alcohols with metal ions is stable in aqueous solutions. Through researching into the reactivity of this type of ligands, we could make a class of porous adsorbents with novel structural patterns, good water compatibility and promising photocatalytivity, thus furnishing a good entry to further explore this type of materials with an eye on their practical applications.

水中存在的微量染料、农药等有机分子由于无法降解或降解周期较长，日益累积已成为严重的安全问题。本课题拟合成基于吡啶醇官能团的多孔材料并研究这些材料在水相中对有机染料如甲基橙、亚甲基蓝的吸附及光催化降解反应。该类配体包括吡啶醇-羧酸，吡啶醇-双羧酸，吡啶醇-吡啶以及双吡啶醇-吡啶配体。初步的研究结果表明，吡啶醇官能团和金属离子的螯合能在水中稳定存在。通过对该类配体的反应性研究，我们预期获得一系列结构新颖、水稳定性较好且吸附和光催化性能较强的多孔吸附剂，为进一步探索此类材料的实用化打下基础。

水中存在的微量染料、残留农药、金属离子等由于无法降解或降解周期较长，日益累积已成为严峻的环境问题。金属−有机框架（MOF）化合物是由有机配体与金属离子/团簇通过配位键自组装而形成的有机−无机杂化材料。与传统的无机材料如沸石相比，MOF具有结构规整多样、孔隙率高、廉价易得、易进行后修饰等众多优点，近些年来被广泛应用于气体吸附与存储、催化、药物运输、化学传感、电池等领域。而MOF进一步与纳米材料、高分子材料、膜材料的有机结合更为MOF材料的实际应用提供了较为广阔的平台。本课题探索了MOF材料在水相中对有机染料的吸附与分离、光催化降解、金属离子及有机分子识别、催化有机物转化等多种性能。同时，我们还研究了部分MOF的荧光、三阶非线性光学及气体吸附等性质。其中，我们重点探索了一类基于吡啶醇、吡啶醇-羧酸、吡啶醇-双羧酸配体MOF的合成、光谱及结构表征和应用等。初步的研究结果表明，吡啶醇官能团和金属离子形成的螯合物能在水相中稳定存在。基于这类配体的MOF在形成过程中经历了少见的两性离子中间体过程，且这些两性离子化合物普遍适用于不同的第一过渡系金属离子，如Co2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+等。对于具有球状d10电子构型的金属离子Zn2+，所形成的两性离子具有较强的荧光发射。另外，对于吡啶醇-双羧酸配体，由于配体中含有配位形式完全不同的吡啶醇及两个羧酸配体，因此所得MOF的结构极易受反应条件的影响。例如吡啶醇-双羧酸配体与Cd2+盐的反应在不同条件下可以罕见地得到5个复杂的MOF化合物，且部分化合物在水溶液中还存在相互转化关系。本项目所取得的进展为进一步探索水相稳定的MOF材料的合成及实用化打下了良好的基础。