[Cu2(HBTC)2(4, 4′-bpy)2·5H2O]配合物的合成、结构及性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0098

摘要/Abstract

摘要： 以1， 3， 5-均苯三甲酸（H₃BTC）和4， 4′-联吡啶（4， 4′-bpy）为有机配体，Cu（Ac）₂·H₂O作为铜源，通过水热法成功合成了一种二维（2D）铜基-有机框架（MOF），Cu₂（HBTC）₂（4， 4′-bpy）₂·5H₂O（配合物1）。采用X射线衍射、元素分析和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等手段确定了配合物1的结构。结果表明，配合物1属于单斜晶系C2/c空间群，其不对称单元包含一个Cu²⁺、一个去质子化HBTC^2-、一个4， 4′-bpy和三个结晶水分子。在有机染料吸附性能探究中配合物1表现出对亚甲基蓝的优异选择性吸附性能，去除率高达93.4%。此外，配合物1在65 ℃、98%相对湿度下表现出7.32×10^-4 S·cm^-1的质子电导率。本研究为MOFs在染料吸附和质子导电材料领域的应用提供了新的思路。

关键词: 铜基配合物; 晶体结构; 金属-有机框架; 染料吸附; 质子传导

Abstract: A two-dimensional （2D） copper-based metal-organic framework （MOF），［Cu₂（HBTC）₂（4， 4′-bpy）₂·5H₂O］（complex 1）， was successfully synthesized via a hydrothermal method， using 1， 3， 5-benzenetricarboxylic acid （H₃BTC） and 4， 4′-bipyridine （4， 4′-bpy） as organic ligands， and Cu（Ac）₂·H₂O as the copper source. The structure of complex 1 was determined by X-ray diffraction， elemental analysis， and Fourier-transform infrared spectroscopy （FT-IR）. The results show that complex 1 belongs to the monoclinic crystal system， space group C2/c， with the asymmetric unit containing one Cu²⁺， one deprotonated HBTC^2-， one 4， 4′-bpy， and three crystalline water molecules. In the exploration of organic dye adsorption capabilities， complex 1 demonstrates an excellent selective adsorption performance for methylene blue， achieving a removal rate of up to 93.4%. In addition， complex 1 shows a proton conductivity of 7.32×10^-4 S·cm^-1 at 65 ℃ and 98% RH. This study provides new insights into the application of MOFs in dye adsorption and proton conductive materials.

Key words: copper-based complex; crystal structure; metal-organic framework; dye adsorption; proton conduction

中图分类号:

O641

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图/表 7

表1 配合物1的晶体学数据

Table 1 Crystallographic data of complex 1

Complex	1
Formula	Cu₂C₃₈N₄O₁₇H₃₄
Formula weight	945.77
Temperature/K	284.58
Crystal system	Monoclinic
Space group	C2/c
a/Å	12.191 0（9）
b/Å	20.927 0（15）
c/Å	15.232 5（11）
α/（°）	90
β/（°）	107.269（3）
γ/（°）	90
Volume/Å³	3 710.9（5）
Z	4
D_calc/（g·cm^-3）	1.693
μ/mm^-1	1.234
F（000）	1 936.0
Reflections collected	22 895
Independent reflections	3 307 ［R_int=0.085 0］
GOOF	1.074
Final R indexes ［I>=2σ（I）］	R₁=0.036 5， wR₂=0.078 6
Final R indexes ［all data］	R₁=0.069 7， wR₂=0.094 5

图1 配合物1的配位环境图（a）、2D网格结构（b）和拓扑结构（c）

Fig.1 Coordination environment （a）， 2D grid structure （b）， and topological structure （c） of complex 1 （#1： -1/2+X， 1/2-Y， 1/2+Z； #2： 1/2-X， 1/2+Y， 1/2-Z）

图2 配合物1的层状堆积结构（a）和3D超分子结构（b）

Fig.2 Layered stacking structure （a） and 3D supramolecular structure （b） of complex 1

表2 配合物1中的氢键相互作用

Table 2 Hydrogen bonding interactions in complex 1

D—H…A	d （D—H）/Å	d （H…A）/Å	d （D…A）/Å	∠（D—H…A）/（^o）
O4—H4…O1（W）	0.82	1.806	2.616	169.64
O2（W）—H2WA…O2	0.85	1.882	2.710	164.39
O3（W）—H3WA…O6	0.84	2.154	2.817	134.80
O2（W）—H2WB…O3	0.85	2.432	2.994	124.29

图3 配合物1的照片（a）、微观形貌（b）和PXRD图谱（c）

Fig.3 Photograph （a）， microscopic morphology （b）， and PXRD patterns （c） of complex 1

图4 配合物1的染料吸附性能。（a）MB的去除率随时间的变化；（b）对MB和MO混合溶液的吸附效果

Fig.4 Dye adsorption performance of complex 1. （a） Change of MB removal rate over time；（b） adsorption effect on a mixed solution of MB and MO

图5 质子传导性能。（a）配合物1在25~75 ℃和98% RH下的奈奎斯特谱图；（b）配合物1结构中存在的氢键网络和连续水分子链

Fig.5 Proton conduction performance. （a） Nyquist plots of complex 1 under 25~75 ℃ and 98% RH；（b） hydrogen bond network and continuous water molecule chains exist in the structure of complex 1

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[Cu₂(HBTC)₂(4, 4′-bpy)₂·5H₂O]配合物的合成、结构及性能研究

Synthesis, Structure, and Properties of [Cu₂(HBTC)₂(4, 4′-bpy)₂·5H₂O] Complex

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