8-羥基喹啉基配位聚合物的合成與氣體吸附性能

8-羥基喹啉（8-hydroxyquinoline，簡稱8-HQ）及其衍生物因具有強配位能力的O和N原子，是構建配位聚合物（CPs）或金屬有機框架（MOFs）的理想配體，這類配位聚合物憑借其可控的孔結構、高比表面積及豐富的活性位點，在氣體吸附與分離領域展現出巨大潛力。以下從合成策略、氣體吸附性能及構效關系展開詳細分析：

一、8-羥基喹啉基配位聚合物的合成策略

8-羥基喹啉基配體的設計與金屬離子的選擇是合成的核心，需兼顧配位鍵穩定性與孔結構調控。

1. 配體設計：功能化修飾與橋連能力強化

基礎配體結構：8-羥基喹啉的結構為喹啉環的8位連有羥基（-OH），其中羥基O原子和喹啉環上的N原子可通過“O,N - 雙齒”模式與金屬離子配位，形成穩定的五元螯合環（如與Cu²⁺配位時鍵長Cu-O≈1.95Å，Cu-N≈2.05Å）。

功能化衍生：通過在喹啉環的2、5、6位引入取代基（如-COOH、-NH₂、-SO₃H或長鏈烷基），可調控配體的空間位阻、親疏水性及橋連能力：

引入-COOH基團（如5-羧基-8-羥基喹啉）可增加配位位點（O,N,O-三齒），促進多維框架結構的形成；

引入長鏈烷基（如2-辛基-8-羥基喹啉）可增強框架的疏水性，改善對CO₂等極性氣體的選擇性吸附。

橋連配體輔助：當8-羥基喹啉衍生物為單齒或雙齒配體時，可引入輔助橋連配體（如均苯三甲酸、4,4'-聯吡啶），通過“主配體-金屬-橋連配體”的協同作用構建多孔框架（例如，Cu²⁺與8-HQ及均苯三甲酸組裝形成三維網絡結構，孔徑約0.8-1.2nm）。

2. 金屬離子選擇：配位幾何與框架穩定性

金屬離子的價態、半徑及配位偏好直接影響框架結構的維度與穩定性：

過渡金屬：Cu²⁺、Zn²⁺、Co²⁺等常用作中心離子，因其與 O、N 原子的配位鍵強度適中（鍵能約200-300kJ/mol），且易形成穩定的四配位或六配位構型，例如，Zn²⁺與8-羥基喹啉組裝可形成具有菱形孔道的二維層狀結構，層間通過π-π堆積作用拓展為三維超分子框架。

稀土金屬：La³⁺、Eu³⁺等稀土離子因半徑較大（離子半徑約100-110pm），易形成高配位數（8-9 配位）的框架，且稀土 - 配體鍵的強極性（鍵能>300kJ/mol）可提升框架的水穩定性（如La³⁺與8-羥基喹啉衍生物形成的框架在濕度90%下仍保持結構完整）。

混合金屬：通過摻雜兩種金屬離子（如Cu²⁺/Zn²⁺），可調節框架的電荷分布與孔徑尺寸，例如Cu²⁺位點增強對CO₂的吸附親和力，Zn²⁺位點擴大孔容以提高吸附量。

3. 合成方法：溶劑熱法為主，輔助調控結晶過程

溶劑熱法：將配體、金屬鹽（如硝酸鹽、氯化物）按化學計量比溶于溶劑（DMF、乙醇或水），在密閉反應釜中于80-180℃反應12-72小時。通過調控溫度（如低溫利于形成小尺寸晶體，高溫促進框架結晶度提升）、溶劑極性（極性溶劑利于溶解金屬鹽，非極性溶劑可抑制配體過度溶解）及pH值（弱堿性條件促進8-羥基喹啉的羥基去質子化，增強配位能力），實現對產物結構的調控。

其他方法：

室溫擴散法：適用于合成低穩定性框架（如對熱敏感的稀土配合物），通過緩慢擴散使配體與金屬離子在界面處結晶；

微波輔助法：縮短反應時間（1-2小時），且產物粒徑更均勻（如Cu-8-HQ框架的粒徑可控制在 50-100nm）。

二、8-羥基喹啉基配位聚合物的氣體吸附性能

這類材料的氣體吸附性能主要取決于孔徑尺寸與分布、活性位點類型及框架穩定性，在CO₂、H₂、CH₄等氣體的捕獲與分離中表現突出。

1. CO₂吸附：高選擇性與濕度耐受性

吸附機制：

8-HQ 配體中的N和O原子具有孤對電子，可與CO₂（極性分子）形成dipole-quadrupole相互作用及氫鍵（如框架中的-OH基團與CO₂的O原子形成O-H…O氫鍵，鍵能約10-20kJ/mol），增強對 CO₂的選擇性吸附；

框架中的金屬離子（如Cu²⁺、Zn²⁺）可作為路易斯酸位點，與CO₂的O原子發生配位作用（吸附焓 ΔH≈-30至-40kJ/mol），進一步提升親和力。

性能指標：

在273K、1bar條件下，典型材料的CO₂吸附量為50-150cm³/g，且CO₂/N₂選擇性（50:50混合氣體）可達20-50（遠高于活性炭的5-10）；

經疏水性修飾的框架（如引入烷基鏈）在濕度50%時，CO₂吸附量僅下降5%-10%（傳統MOFs如MOF-5在相同條件下吸附量下降>50%）。

2. H₂與CH₄吸附：依賴孔容與比表面積

H₂吸附：主要通過范德華力與框架孔道作用，因此高比表面積（>1000 m²/g）和微孔結構（孔徑 0.5-1 nm）是關鍵，例如，Zn-8-HQ-均苯三甲酸框架的比表面積為1200m²/g，在77K、1bar下 H₂吸附量達2.5-3.0wt%，接近實用化需求（3wt%）。

CH₄吸附：作為清潔能源載體，CH₄的存儲需要材料兼具高孔容（>0.5cm³/g）和中等吸附焓（ΔH≈-15至-25kJ/mol）。8-羥基喹啉基框架（如Co-8-HQ-聯吡啶體系）在298K、35bar下的CH₄吸附量可達 150-180 cm³/g，滿足車載存儲的基本要求（180cm³/g）。

3. 氣體分離性能：基于尺寸篩分與親和力差異

CO₂/N₂分離：在煙道氣處理中，框架的孔徑（0.3-0.5nm）可篩分 CO₂（動力學直徑 0.33 nm）與 N₂（0.36 nm），同時 N/O 活性位點對CO₂的強親和力進一步提升分離系數（理想分離系數 S≈30-60）。

C₂/C₁分離：在天然氣提純中，乙烯（C₂H₄，0.39nm）與甲烷（CH₄，0.38 nm）的尺寸接近，但8-羥基喹啉配體的π電子體系可與C₂H₄形成π-π相互作用，使C₂H₄/CH₄分離系數達10-20（如Cu-8-HQ框架）。

三、構效關系與性能優化策略

1. 孔徑調控：匹配目標氣體分子尺寸

通過配體長度調節孔道大小：例如，使用短鏈取代基（如甲基）的8-羥基喹啉衍生物可形成小孔徑（0.4-0.6 nm）框架，優先吸附小分子CO₂；長鏈配體（如苯環取代）則形成大孔徑（1.0-1.5 nm）框架，適合 CH₄等大分子存儲。

引入柔性配體：如在8-羥基喹啉中接入醚鍵（-O-），框架可在壓力刺激下發生“呼吸效應”，孔徑隨氣體壓力動態變化（如低壓時收縮吸附CO₂，高壓時擴張吸附CH₄），實現多氣體分步捕獲。

2. 活性位點增強：提升吸附親和力

金屬離子摻雜：在Zn²⁺框架中摻雜少量Cu²⁺（5%-10%），可引入更多路易斯酸位點，使CO₂吸附焓從-30kJ/mol 提升至-38 kJ/mol，吸附量增加 20%。

配體功能化：在8-羥基喹啉的5位引入氨基（-NH₂），通過-NH₂與CO₂的氫鍵作用（鍵能≈15 kJ/mol），顯著提高低壓力下（<0.1 bar）的CO₂吸附量（適用于痕量CO₂捕獲）。

3. 框架穩定性優化：延長材料使用壽命

選擇高電荷金屬離子（如La³⁺、Zr⁴⁺）：其與配體的強配位作用可提升框架的水穩定性和熱穩定性（如La-8-HQ框架在200℃下保持結構不變，且在水中浸泡72小時后吸附性能無衰減）。

增強框架交聯度：通過引入三齒或四齒橋連配體（如均苯四甲酸），形成三維共價網絡，減少框架在吸附 - 脫附循環中的結構坍塌（循環使用100次后性能保留率>90%）。

四、挑戰與展望

1. 現存挑戰

合成復雜性：功能化8-羥基喹啉配體的制備步驟繁瑣（如多步取代反應），導致材料成本較高；

吸附量與選擇性平衡：高親和力位點可能降低氣體脫附效率（如強金屬-CO₂作用導致再生能耗增加）；

規模化應用瓶頸：粉末狀材料的成型（如制成pellets）易破壞孔結構，需開發兼顧機械強度與吸附性能的成型工藝。

2. 發展方向

計算輔助設計：通過DFT計算預測配體-金屬組合的吸附能，指導高效材料的定向合成（如篩選出對CO₂吸附焓優的金屬-配體組合）；

復合功能化：將8-羥基喹啉基框架與碳納米管、石墨烯復合，提升導電性或機械性能，拓展至電驅動氣體分離領域；

可持續合成：采用綠色溶劑（如水、乙醇）和可再生原料（如生物基喹啉衍生物），降低制備過程的環境影響。

8-羥基喹啉基配位聚合物憑借配體的強配位能力與可修飾性，成為氣體吸附領域的特色材料。其合成需通過配體設計、金屬選擇與工藝調控實現孔結構與活性位點的精準控制，性能優化則需平衡吸附量、選擇性與穩定性。未來通過計算指導合成與功能復合，有望在碳捕集、清潔能源存儲等領域實現實用化突破。

本文來源于黃驊市信諾立興精細化工股份有限公司官網 http://www.c7lunwen.cn/