齊 悅，鄧冬艷，楊 潔

Al(OH)(1， 4－NDC)·2H2O 在硅及其改性基底上取向生長(zhǎng)的研究

齊 悅，鄧冬艷，楊 潔

(四川大學(xué) 基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，四川 成都 610064)

該文采用溶劑熱合成方法，制備Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O粉末樣品及其在Si、Au/Si、COOH-Au/Si基底上的薄膜，并通過(guò)X射線廣角衍射法檢測(cè)其在基底表面上的取向生長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)在Si和Au/Si基底上的Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O配位聚合物沿著[100]的方向生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)增加反應(yīng)時(shí)間(24～72 h)，基底上的晶體不斷增大，衍射特征峰也不斷增強(qiáng)，說(shuō)明延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間有利于Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O薄膜的取向生長(zhǎng)，這為配位聚合物在硅及其改性基底表面上制備有取向的MOFs薄膜提供了理論依據(jù)。

溶劑熱方法；配位聚合物薄膜；X射線廣角衍射；取向生長(zhǎng)

金屬有機(jī)框架(metal-organic frameworks，MOFs)，又稱為多孔有機(jī)配位聚合物 (porous coordination polymer，PCPs)，因其在諸多領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用前景，如氣體儲(chǔ)存(特別是H2)[1]、氣液分離、電學(xué)性質(zhì)、催化、發(fā)光、熒光材料、藥物儲(chǔ)存和釋放等[2-5]，因此近幾十年受到了科研工作者的廣泛關(guān)注。在上述的許多研究領(lǐng)域中，主要使用的都是MOFs材料的粉體形式 (如單晶、多晶粉末等)[1，6-10]，而許多關(guān)于電、磁、光的應(yīng)用都需要使用MOFs材料的薄膜形式[11-15]，進(jìn)而MOFs薄膜的研究引起了諸多科研工作者的關(guān)注。關(guān)于MOFs薄膜的制備方法亦見(jiàn)諸報(bào)道。大多數(shù)方法都是在基底表面上制備致密的MOFs薄膜，但在基底表面上制備有取向的MOFs薄膜的方法卻很罕見(jiàn)[16]。通過(guò)基底上MOFs薄膜制備的研究發(fā)現(xiàn)，基底可影響MOFs薄膜的晶體致密程度、生長(zhǎng)取向等[17-18]。

本文采用溶劑熱合成方法，制備了Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O粉末樣品及其在Si、Au/Si和COOHAu/Si基底上的Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O薄膜。通過(guò)X射線廣角衍射法檢測(cè)其在Si和Au/Si基底上生長(zhǎng)取向性的Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O薄膜。初步得到了具有取向性薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理，通過(guò)增加反應(yīng)時(shí)間(24～72 h)，衍射特征峰也不斷增強(qiáng)，說(shuō)明延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間有利于Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O薄膜的取向生長(zhǎng)，這為配位聚合物在硅及其改性基底表面上制備有取向的MOFs薄膜提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 化學(xué)試劑

實(shí)驗(yàn)中所用試劑硝酸鋁、1，4-萘二甲酸(1，4-NDC)(98，Alfa Aesar公司)都是分析純，購(gòu)買后未經(jīng)任何處理，直接應(yīng)用。

1.2 儀器

樣品物相及結(jié)構(gòu)表征采用X-射線衍射儀D8-ADVANCE(德國(guó)布魯克公司)；

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.3.1 基底處理步驟

我們初步選用了以下3種基底，制備Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O薄膜。

1)硅片的清洗。首先將硅片裁剪成1.5 cm×1.2 cm的長(zhǎng)方形，用丙酮超聲清洗10 min，再用去離子水超聲3次，每次10 min，最后在室溫下，真空干燥箱干燥12 h，備用，標(biāo)記為Si。

2)噴金硅片。將上述清洗干凈的硅片放在噴金儀內(nèi)噴超細(xì)金3次后，得到表面均勻的Au/Si基底，備用，標(biāo)記為Au/Si。

3)自組裝Au/Si片。將上述得到的Au/Si片浸入50 mol/L的4-巰基苯甲酸乙醇溶液中，55℃水浴放置24 h后，取出硅片，用乙醇洗滌后，在室溫下，真空干燥箱室溫下內(nèi)干燥12 h，即得到有-COOH端基的 Au/Si片，備用，標(biāo)記為 COOHAu/Si。

1.3.2 溶劑熱合成法制備Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O薄膜

將 Al(NO3)3·9H2O粉末 1.0 mmol、1，4-NDC粉末0.5 mmol溶解于10 mL超純水中，在特氟龍反應(yīng)釜中放入上述溶液，分別將清洗干凈的Si片、Au/Si和COOH-Au/Si基底放入反應(yīng)釜中，參照文獻(xiàn)[19]中的反應(yīng)條件，180℃的溫度下分別反應(yīng)24，36，48，72 h，自然降溫后取出基底，用超純水清洗基底各3次，空氣中晾干。

2 結(jié)果與討論

采用1.3.2節(jié)溶劑熱合成法，反應(yīng)時(shí)間為72 h，分別得到粉末樣品和其在Si、Au/Si和COOH-Au/Si基底上的Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O薄膜，如圖1(a)所示。圖1(b)為空的硅及其改性基底本身PXRD實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

對(duì)比Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O單晶數(shù)據(jù)模擬的衍射峰，所得粉末樣品除了(110)特征衍射峰外，含有其他所有Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O衍射特征峰；而在 Si基底只存在(200)、(400)、(600)衍射特征峰，這說(shuō)明在Si基底Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O晶體是沿著[100]的方向生長(zhǎng)。因在無(wú)任何修飾的Si基底表面上制備有取向的MOFs薄膜很罕見(jiàn)[16]，故我們?cè)赟i基底表面上噴了一層金，并又在金基底表面上分別修飾帶有-COOH有機(jī)功能團(tuán)，如圖1(a)所示，在Au/Si基底上只出現(xiàn)了(200)和(400)特征衍射峰，這說(shuō)明在Au/Si基底上Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O晶體也是沿著[100]方向生長(zhǎng)，而在帶有有機(jī)官能團(tuán)修飾的COOH-Au/Si基底上無(wú)晶體生成，可能是因?yàn)榻疠d體上的有機(jī)官能團(tuán)與溶液中金屬陽(yáng)離子的相互作用，從而影響Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O薄膜的晶體致密程度、生長(zhǎng)取向[17-18]。

圖1 PXRD圖

通過(guò)基底上MOFs薄膜制備的文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，薄膜材料的制備與基底有著密不可分的關(guān)系，在實(shí)際操作中，同一種MOFs在不同的基底上可能生長(zhǎng)出不同取向的薄膜，但其具體的生長(zhǎng)機(jī)理卻沒(méi)有給出很好的解釋[20]。

為了研究在Si和Au/Si基底上形成薄膜的機(jī)理，我們?cè)O(shè)計(jì)追蹤了不同反應(yīng)時(shí)間(24～72 h)薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程。

圖2 在Si基底上得到的不同反應(yīng)時(shí)間的Al(OH)(1，4-NDC)·2H 2O薄膜的PXRD圖

如圖2所示，對(duì)比在Si基底上生長(zhǎng)Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O晶體樣品與Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O單晶數(shù)據(jù)模擬的衍射特征峰可知，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為24 h時(shí)，在Si基底上沒(méi)有Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O衍射特征峰，而隨著反應(yīng)時(shí)間的不斷增加，衍射特征峰也不斷增強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為72 h時(shí)，(200)、(400)、(600)衍射特征峰同時(shí)展現(xiàn)出來(lái)。如圖3所示，在Si基底上得到的不同反應(yīng)時(shí)間的Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O薄膜的SEM，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，基底上的晶體也不斷增大，形狀為長(zhǎng)柱形，這說(shuō)明隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，有利于在無(wú)任何修飾的Si基底上制備有取向生長(zhǎng)的Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O晶體，衍射特征峰強(qiáng)度的增加也可能是由于晶體的變化而產(chǎn)生，反應(yīng)時(shí)間是影響晶體取向生長(zhǎng)的重要因素之一。

圖3 在Si基底上得到的不同反應(yīng)時(shí)間的Al(OH)(1，4-NDC)·2H2 O薄膜的SEM

同樣在Au/Si基底上制備的Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O晶體也得到了相同的結(jié)論，如圖4所示。即當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為24 h時(shí)，在Au/Si基底上沒(méi)有Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O衍射特征峰，而隨著反應(yīng)時(shí)間的不斷增加，衍射特征峰也不斷增強(qiáng)，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為72 h時(shí)，(200)、(400)、(600)衍射特征峰同時(shí)展現(xiàn)出來(lái)。

圖4 在Au/Si基底上得到的不同反應(yīng)時(shí)間的Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O薄膜的PXRD圖

如圖5所示，在Au/Si基底上得到的不同反應(yīng)時(shí)間的Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O薄膜的SEM，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，基底上的晶體也不斷增大，形狀為長(zhǎng)柱形。

圖5 在Au/Si基底上得到的不同反應(yīng)時(shí)間的Al(OH)(1，4-NDC)·2H 2O薄膜SEM

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)溶劑熱合成法，制備Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O晶體的粉末樣品，并通過(guò)對(duì)基底表面進(jìn)行修飾得到在Si、Au/Si和COOH-Au/Si基底上的薄膜樣品，我們驚奇地發(fā)現(xiàn)在Si基底和Au/Si基底上生長(zhǎng)的Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O薄膜，都是具有[100]方向的取向生長(zhǎng)的配合物薄膜。此外，初步研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增加反應(yīng)時(shí)間，基底上的晶體不斷增大，衍射特征峰也不斷增強(qiáng)，這說(shuō)明反應(yīng)時(shí)間是影響晶體取向生長(zhǎng)的重要因素。

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Research of the Oriented Growth of Al(OH)(1，4-NDC)·2H2O on Silicon and its Modified Substrates

QI Yue， DENG Dongyan， YANG Jie
(Experiment Teaching Center of Basic Chemistry， Sichuan University， Chengdu 610064， China)

In this paper， Al(OH)(1， 4-NDC)·2H2O powders and their films were separately prepared on the Si， Au/Si and COOH-Au/Si substrates by solvothermal method.It is confirmed that Al(OH)(1， 4-NDC)·2H2O was growing along[100]direction on both Si and Au/Si substrate，by using X-ray wide-angle diffraction as the important characterization technique for the MOFs film oriented growth on the surface of the substrate.The experimental results show that the diffraction peaks are increasing continuously by increasing the reaction time(24-72 h)and increasing the number of crystals on the substrate.This indicates that the extended reaction time is greatly facilitates the oriented growth of Al(OH)(1， 4-NDC)·2H2O films， which provides a theoretical basis for the preparation of oriented MOFs films on the surface of silicon and its modified substrates..

solvothermal method；MOFs film；X-ray wide-angle diffraction；oriented growth

O611.2

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.05.006

2016-02-25；修改日期:2016-04-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51502181)。

齊悅(1985-)，女，博士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)和儀器分析方面的研究。