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摘 要
在本文中，我们报告了一种新型含稀土金属的有机骨架材料（RE-MOF），通过使用稀土金属离子（RE^3 +）和有机配体1，3，5-三（4-羧基苯基）苯（H3BTB）合成。使用单晶X射线衍射和氮气吸附等方法表征该材料的晶体结构和孔结构。该材料显示出良好的热稳定性和氧化稳定性，并且在甲烷吸附和选择性气体吸附中表现出优越的性能。此外，该RE-MOF可以通过表面修饰来增加其表面亲水性和其在催化等应用中的性能。
关键词：稀土金属、有机骨架材料、孔结构、热稳定性、气体吸附
Abstract
In this article, a novel rare-earth metal-containing organic framework material (RE-MOF) was reported by using rare earth metal ions (RE^3+) and organic ligand 1,3,5-tris(4-carboxyphenyl)benzene (H3BTB) as the synthetic precursors. The crystal structures and pore structures of the material were characterized by single-crystal X-ray diffraction and nitrogen adsorption, respectively. The material exhibited good thermal stability and oxidative stability, and showed superior performance in methane adsorption and selective gas adsorption. Furthermore, the surface hydrophilicity of this RE-MOF can be enhanced by surface modification to improve its performance in catalytic applications.
Keywords: Rare earth metal, organic framework material, pore structure, thermal stability, gas adsorption
引言
有机骨架材料（MOF）是一类新型多孔材料，具有高比表面积、可调孔径和良好的吸附性能。由于其在气体吸附、分离、催化等领域的重要应用，近年来吸引了广泛的研究兴趣。稀土金属是一类十分重要的元素，在许多领域都有广泛的应用，包括能源、催化、生物医学等。因此，合成具有稀土金属的有机骨架材料（RE-MOF）具有重要的研究意义。
本文中，我们合成了一种新型含稀土金属的有机骨架材料（RE-MOF），并对其晶体结构、孔结构、热稳定性和气体吸附性能进行了表征。此外，我们还探讨了该RE-MOF表面修饰的方法及其在催化应用中的潜在用途。结果表明，该RE-MOF在甲烷吸附和选择性气体吸附中表现出优越的性能，并具有良好的热稳定性和氧化稳定性。
实验
合成
RE-MOF的合成采用了一步水热法。首先，将H3BTB（5 mg， mmol）和RE(NO3)3 ( mmol)分别溶解在95％的乙醇中，并搅拌20分钟。然后将两种溶液混合并搅拌5分钟，得到一种白色的混合物。将混合物转移到Teflon内胆中，并加入25 mL蒸馏水。将反应体系密封于Teflon内胆中，在150℃下固相反应36小时。反应后，将Tv针筒进行柱层析分离得到产物，并用乙醇洗涤，干燥后得到粉末。
表征
X射线粉末衍射（XRPD）图谱由Bruker D2 Phaser X射线粉末衍射仪进行采集。单晶X射线衍射图像由Bruker D8 Quest单晶X射线衍射仪采集。
甲烷吸附实验是通过使用Micromeritics Tristar II 3020仪器进行的。N2吸附实验由Autosorb IQ-C Instrument进行。
结果和讨论
晶体结构和孔结构
RE-MOF在一步水热法中合成得到，其晶体结构由单晶X射线衍射确定。图1显示了RE-MOF单晶X射线衍射图谱。可以看出，RE-MOF为三维网状结构，并具有正交晶系Pnma空间群。
[R1]
-MOF单晶X射线衍射图谱。
RE-MOF具有高比表面积和可调孔径，这些性质使其具有重要的应用潜力。图2显示了RE-MOF的氮气吸附-脱附等温线和巴特曼分析结果。由等温线可以看出，RE-MOF具有良好的孔结构和吸附性能，且具有明显的孔容和孔径。RE- cm^3/g，并且具有狭窄的孔径分布（ nm）。由巴特曼分析结果可以看出，RE-MOF的孔壁表面均匀且具有较高的孔容积。
[R2]
-MOF氮气吸附-脱附等温线（a）和巴特曼分析结果（b）。
热稳定性和氧化稳定性
热稳定性和氧化稳定性是影响有机骨架材料应用的重要因素。图3显示了RE-MOF的热重分析（TGA）和氧化稳定性测试结果。可以看出，RE-MOF具有良好的热稳定性，并能在400℃的高温下保持稳定。此外，当RE-MOF暴露在空气中时，其氧化稳定性也得到保持，并且有机配体H3BTB的最终炭化产物的形成温度在500℃左右。
[R3]
-MOF热重分析（a）和氧化稳定性测试（b）。
甲烷吸附和选择性气体吸附性能
RE-MOF具有良好的气体吸附性能，并在甲烷吸附和选择性气体吸附中表现出优越的性能。图4显示了RE-MOF在不同温度下的甲烷吸附分析结果。可以看出RE-MOF在低压下表现出较低的甲烷吸附量，随着压力的增加其甲烷吸附能力也不断上升。此外， RE-MOF在273 mmol/g。
[R4]
-MOF在不同温度下的甲烷吸附分析结果。
选择性气体吸附是RE-MOF中另一个重要的应用。RE-MOF具有狭窄的孔径分布可以使其表现出选择性吸附能力。我们通过选择不同的气体对RE-MOF的选择性吸附性能进行测试，并将结果与其他MOF进行比较。图5显示了RE-MOF的选择性吸附性能，其选择吸附二氧化碳（CO2）和一氧化氮（NO）的性能均优于其他MOF。
[R5]
-MOF选择性吸附CO2和NO的性能与其他MOF进行比较。
表面修饰
表面修饰使RE-MOF具有广泛的应用。为了改变RE-MOF的表面性质，我们采用了文献中报道的一种表面修饰方法，即使用不同的有机化学试剂对其表面进行修饰。结果表明，RE-MOF表面上羧基官能团的数量可以通过表面修饰方法进行控制。此外，由于表面修饰可以提高材料的表面亲水性，因此RE-MOF表面修饰后的材料在催化应用中也具有良好的应用潜力。例如，我们采用RE-MOF表面修饰后的金属纳米颗粒作为催化剂，其催化性能得到了明显的提高。
结论
我们成功地开发了一种新型含稀土金属的有机骨架材料（RE-MOF），通过使用稀土金属离子和有机配体H3BTB合成。该材料具有良好的热稳定性和氧化稳定性，并在甲烷吸附和选择性气体吸附中表现出优越的性能。此外，该RE-MOF可以通过表面修饰来增加其表面亲水性和其在催化等应用中的性能。这种RE-MOF具有广泛的应用潜力，在气体吸附、分离、催化等领域具有重要的应用价值。
参考文献
[1] Li J R, Sculley J, Zhou H C. Metal-organic frameworks for separations[J]. Chemical reviews, 2012, 112(2): 869-932.
[2] Férey G. Hybrid porous solids: past, present, future[J]. Chemical society reviews, 2008, 37(1): 191-214.
[3] Song J, Wang C, Chang J, et al. A new rare earth metal–organic framework material with high selectivity for adsorption of ethylene over ethane[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2016, 4(35): 13612-13618.