芳香羧酸稀土配位聚合物的结构构筑与光学性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:bushliu
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本论文依据稀土离子在可见及近红外的发光特性,研究了稀土配位聚合物的合成、晶体结构和荧光性质。基于设计合成思想,选择含有不同羧酸基团数目的芳香羧酸为主配体,有机小分子邻菲罗啉和草酸作为辅助配体,采用水(溶剂)热合成方法,设计合成了从双核配合物,一维链,二维层到三维骨架结构的稀土配位聚合物共二十四例。使用单晶X–射线衍射分析确定稀土配位聚合物的晶体结构,并通过红外光谱分析,元素分析,X–射线粉末衍射分析对结构进行表征,通过固态荧光光谱,荧光寿命和能量传递系统研究了稀土配位聚合物的光学性质,研究芳香羧酸配体羧基数目及配体构型对晶体空间构型的影响以及芳香羧酸配体电子能级与发光性质之间的关系。采用溶剂热实验方法,使用3–喹啉甲酸(Hqlc)和邻菲罗啉(phen)与稀土硝酸盐反应,得四个系列九例稀土配合物,分子式分别为[KEu(Hqlc)(qlc)(H2O)6(OH)]2+·2Cl-}n(1),{[Eu(qlc)2(phen)(H2O)2]+·Cl-}·CH3CN(2),[Eu(qlc)2(phen)(NO3)]·H2O(3),[Ln(qlc)2(H2O)4]·(qlc)·(H2O)(Ln=Eu(4),Sm(5),Gd(6),Tb(7),Dy(8),Ho(9))。配位聚合物1通过K原子连接形成二维hcb拓扑结构。配合物2–4通过qlc–配体羧基的不同配位方式及阴离子效应形成三种不同的双核配合物,在氢键和堆积作用下形成超分子晶体结构。计算Hqlc配体的电子能级,Hqlc配体可将能量转移至phen配体进而敏化配合物2和3发光。通过与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)掺杂,配合物4的寿命增长从283.70μs增长到792.33μs,拓展其在实际生产生活中的潜在应用。利用N,N′–二乙酸乙酯基联咪唑在碱性条件下易水解成N,N′–二乙酸基联咪唑(H2babi)的特性,精准调控体系pH值,获得一例二维铽配位聚合物{[Tb3(babi)(μ3–OH)7]·H2O}n(10)。H2babi配体结构中的–CH2–基团的旋转灵活性满足羧酸基团的配位取向,有效缓解了空间位阻对配位的影响,最终形成罕见的二维CdCl2型拓扑结构。掺杂PMMA后配位聚合物10发光性质和热稳定性质均有所提高。与此同时,研究温度变化对薄膜材料10@PMMA荧光性能的影响,发现低于270 oC的温度并不会影响薄膜材料荧光性能,说明10@PMMA可以作为稳定的绿色荧光材料。继续增加芳香羧酸配体的羧基个数,以半刚性V–型3–(2′,3′–二羧酸基苯氧基)苯甲酸(H3dpob)为主要研究对象,辅助phen和H2ox有机小分子,在水热条件获得九例从一维到三维的稀土配位聚合物:{[Eu(dpob)(phen)]·H2O}n(11),[Ln(Hdpob)(ox)0.5(H2O)2]n(Ln=Eu(12),Sm(13),Gd(14),Tb(15)),{[Eu(dpob)(H2O)2]·0.5H2O}n(16),{[Ln(dpob)(H2O)2]·0.5H2O}n(Ln=Eu(17),Gd(18),Tb(19))。利用浓度诱导效应,在仅浓度加倍,其他反应条件不变的情况下,实现拓扑结构从二维kgd型(16)到三维rtl型(17)的转变。基于三基色(Eu,Tb,Gd)发光原理,仔细调节三种稀土离子的比例,获得一例长寿命(1298.45μs)混合稀土配位聚合物{[Gd0.92Eu0.04Tb0.04(dpob)(H2O)2]·0.5H2O}n,通过改变激发波长实现白光发射的调节,CIE色坐标为(0.33,0.34)。在反应体系中引入含有羧基数目更多的半刚性V–型4–(3′,5′–二羧酸基苯氧基)邻苯二甲酸(H4dcppa)配体,获得五例三维稀土配位聚合物,分子式分别为{[Eu(Hdcppa)(H2O)2]·H2O}n(20),[Eu1.5(dcppa)(HCOO)0.5(H2O)2]n(21),{[Ln2K2(dcppa)2(H2O)6]·5H2O}n(Ln=Eu(22),Tb(23),Gd(24))。其中,配位聚合物20和21分别展现有趣而迷人的“中国结”和“龙舟”式三维骨架结构。配位聚合物22三维结构中存在规则一维孔道结构(1.664×0.836 nm),且在孔道表面存在裸露的活性路易斯氧原子位点,可以快速(8 min),高敏感(Ksv=4.3/5.2×104 L/mol)从十五种金属阳离子中实现对Fe3+和Cu2+离子的检测。检测机理为结构中的氧原子与金属离子之间发生弱相互作用,使得有机配体的电子能级发生改变,配体不能有效敏化稀土离子发光导致荧光淬灭。对稀土配位聚合物的能量传递机理进行研究,刚性的3–喹啉甲酸只能将能量传递给辅助配体进而敏化稀土离子发光,半刚性V–型3–(2′,3′–二羧酸基苯氧基)苯甲酸可以部分敏化稀土离子发光(Eu3+,Sm3+>Tb<sup>3+),半刚性V–型4–(3′,5′–二羧酸基苯氧基)邻苯二甲酸配体可以有效地将能量传递给Eu3+和Tb<sup>3+离子。羧酸基团个数的增多,配体的配体方式灵活,晶体结构中包含的配体数量增多,将金属中心紧密包裹,屏蔽了由非辐射跃迁引起的能量损失,加之强给电子基团,导致电子云密度增大,利于能量传递过程的进行。
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