使用受親核基團攻擊之金屬有機骨架UiO-66為水溶液中吸附劑

Abstract

"金屬有機骨架 (MOF) 為一群以過渡金屬離子為核心，有機分子為配位基團的固態晶體。 MOF 多半具有中孔徑的特性，且其孔隙內通常具有巨大的表面積。 雖然眾多有關於MOF的特性已經被廣泛研究，MOF被親核基團攻擊的機制，以及被攻擊後產生的多孔材料的性質則依舊不清楚。 本論文首先回顧於水中穩定的MOF之研究，以及其初步應用。 對水穩定的MOF具有從水溶液中吸附分子的潛力。 我們已經成功製備並分析其中一類鋯金屬為核心的MOF，UiO-66 和 UiO-66-NH2。 有鑑於UiO-66 和 UiO-66-NH2對磷酸的吸附力大幅優於市面上的吸附劑，在此研究中合成的UiO-66 和 UiO-66-NH2 首次被用於從極強酸性 (pH < -1) 的溶液中吸附磷酸。使用朗謬爾方程式做回歸後，其在25 oC廢棄混合酸，硝酸-磷酸-醋酸混合物，以及重量百分率85% 磷酸中，對磷酸之最大吸附量 (qmax) 分別為 3360, 8510 和 4790 mg-H3PO4/g。 吸附過磷酸之UiO-66/UiO-66-NH2，其磷與鋯的比例為6.2‒13.5，可能的原因為高濃度的磷酸堆積在UiO-66 的表面，形成一個類似聚磷酸的結構，並以氫鍵作為連結。 當MOF被浸泡於無機酸溶液中，質子與親核基團均有可能攻擊MOF，並破壞其晶體結構。本論文首次發現在極強酸性溶液中，親核基團，而非質子，會取代晶體中原有之有機配基，而破壞晶體之結構，肇因於親核基團為強路易斯鹼，和四價鋯具有強親和力。 MOF受攻擊後所產生的不定型中孔徑固體，若其沒有完全溶解，亦可以用於吸附劑。 由於這些不定型中孔徑固體，對於二價銅離子以及親核基團的吸附能力，與固體的晶體結構與內表面積並無明顯關聯，其吸附力可能為摻於固體內之親核基團所提供。 根據上述的發現，我們使用了UiO-66以合成對pH、溫度，以及親核基團穩定的不定型固體。 此固體由 UiO-66 浸泡於10或50 mM 磷酸中得到，並以1 M 鹽酸/1 M 氫氧化鈉進行再處理。 無經酸鹼再處理之固體則作為對照。 這些無配基的官能基團，以及磷酸根，可以做為吸附鉛離子的活性位置。 綜上所述，本論文提升了我們對親核基團攻擊UiO-66的認知，並提出了高效轉化UiO-66成為穩定性高的不定型多孔固體之方法。此類固體有被使用於極端環境中的能力。 "