2. 北京师范大学 化学学院, 北京 100875
2. Department of Chemistry, Beijing Normal University, Beijing 100875, P.R. China
水滑石类插层材料 (Layered double hydroxides, LDHs) 是由层间阴离子与带正电荷层板有序组装而形成的化合物,其结构类似于水镁石Mg (OH)2,由MO6八面体共用棱边而形成主体层板。LDHs的化学组成通式如下:[M1-x2+Mx3+(OH)2]x+(An-)x/n·mH2O,其中M2+和M3+分别为二价和三价金属阳离子,An-为层间阴离子,x为M3+/(M2+ + M3+) 的摩尔比值,m为层间水分子的个数。位于层板上的二价金属阳离子M2+可以在一定的比例范围内被离子半径相近的三价金属阳离子M3+同晶取代,从而使主体层板带部分的正电荷,而层间可以交换的客体阴离子An-与层板正电荷相平衡,因此LDHs的这种主客体结构呈现电中性[1, 2]。LDHs材料最显著的特点是其主体层板金属元素和层间阴离子在很大范围内均可调节,可以形成一大类不同组成和性质的LDHs材料,因此,在催化、光学材料、分离科学、医药和电化学[3-7]等许多领域展现出极为广阔的应用前景。
光致变色特性是一类重要的光敏现象。某些物质在紫外光或可见光的照射下会产生变色,而当光线消失或用其他光照射后又会可逆地变回原来颜色的现象,即“光敏变色性”。光变色性质分为可逆性和不可逆性两类[8, 9]。光敏材料在光信息存储、防伪、光滤波器、光响应调控光子晶体、光致变色涂料等领域均具有广阔的应用前景[10-14]。光敏材料多为结构复杂的有机化合物,多数易产生光疲劳,其物理化学性质不稳定。为克服有机光敏材料存在的弊端,科学家们开始对无机-有机光敏复合体系,尤其对包含在有序基质中的光敏化合物展开了大量研究。
近几年,由于超分子结构可能显示出其各自组分中所不具有的新功能,因此基于有机-无机主客体超分子结构的材料引起科学工作者的广泛关注[15-18]。例如,将不具有光敏特性的有机分子和无机水滑石材料通过插层组装的方法结合,得到具有光敏特性的复合材料。Newsham等[19]将反式[ReO2(CN)4]3-引入水滑石层间,研究主客体相互作用对其激发态的影响,并且选取与其结构相类似的[ReO2(Py)4]+阳离子引入蒙脱土层间进行对比实验。研究表明由于主体结构不同导致客体发射光谱发生明显变化:[ReO2(Py)4]+ /蒙脱土体系发射峰蓝移,发光被“锁住”;[ReO2(CN)4]3-/水滑石体系,由于客体与主体的极度不匹配,使得层间客体发光猝灭。Tagaya等[20-22]将有机光敏分子螺吡喃 (SP) 和部花青 (MC) 插入MgAl-LDHs和LiAl-LDHs等水滑石层间,并研究了这些插层产物的光敏特性。由于螺吡喃 (SP) 在非极性溶液中稳定存在,而部花青 (MC) 在极性溶液中稳定,因此要使两种分子间进行有效转换,须构筑双亲性的化学环境。通过将甲基苯磺酸阴离子插入到水滑石层间,可很好地构筑双亲环境,使螺吡喃 (SP) 和部花青 (MC) 均可以在预插层的LDHs层间稳定存在。系列表征手段证明,插层产物的光化学和物理性能都有所提高。
尽管已有研究观察到LDH复合材料由于层间有机客体的性质导致的光敏化现象,但关于主-客体相互作用的光敏化和机理少有报道。在之前的工作中,我们首次报道了NiAl-NO3-LDH中的光致变色现象,发现主体层中的镍离子和层间的NO3-之间的主客体相互作用在其光致变色性质中起重要作用[23]。本文进一步研究了邻硝基苯甲酸 (o-NBA)、间硝基苯甲酸 (m-NBA)、对硝基苯甲酸 (p-NBA) 分别插层ZnAl-LDHs的光敏性能。结果表明,插层后这3种异构体化合物都在紫外光照射下表现出不同的光响应程度,即光敏作用:m-NBA-LDH≫o-NBA-LDH≈p-NBA-LDH。使用PXRD、FTIR、UV/Vis和理论计算研究了光敏性能,并提出了可能的光敏机理。
1 实验部分 1.1 制备ZnAl-NO3-LDHs[Zn2Al (OH)6]NO3·nH2O (即NO3-LDH) 的合成采用共沉淀法。将0.04 mol/L Zn (NO3)2和0.02 mol/L Al (NO3)3配成水溶液,在剧烈搅拌下逐滴滴加到新配制的0.12 mol/L NaOH溶液中,在室温氮气下进行,使最终pH大约为6。100 ℃晶化一定时间,过滤,洗涤,70 ℃干燥18 h。
1.2 离子交换法合成NBA-LDH插层阴离子是不同取代基的硝基苯甲酸的钠盐:o-、m-和p-NBA。通常,将0.25 g ZnAl-NO3-LDHs样品分散到200 mL含有0.1 mol/L所需阴离子的钠盐水溶液中。阴离子的量均为形成的水滑石的交换容量的两倍。氮气保护下,70 ℃搅拌24 h,离心,用去离子水洗涤直至中和,并在70 ℃下干燥18 h。
1.3 制备水滑石薄膜采用溶剂蒸发法制备NBA-LDH。将NBA-LDH粉末 (0.01 g) 溶于乙醇 (20 mL) 中置于玻璃烧瓶中。N2保护下,在超声波浴 (99 W,28 kHz) 中超声15 min。在使用膜过滤器 (0.2 μm,Millipore) 过滤后,将5 mL NBA-LDH乙醇悬浮液滴在石英基底上,并在室温下真空干燥5 h。所有石英基材在H2O-NH4OH水溶液 (3/7,V/V) 溶液中预处理30 min,然后用去离子水彻底冲洗。
1.4 样品表征为了测定所得材料中的NBA含量,用Elementarvario元素分析仪分析插层产物中C、H、N百分含量;采用Shimadzu ICPS-7500型元素分析仪对样品的Zn、Al元素含量进行分析,样品用稀盐酸溶液溶解;使用Shimadzu XRD-6000型X射线粉末衍射仪用于表征样品的晶相结构, CuKα辐射 (λ=1.542,2θ=2°~70°),40 kV,30 mA;用Bruker Vector 22 FTIR光谱仪记录样品的红外光谱 (以KBr压片为基质);用配备有EDX附件 (EDX Oxford Instrument Isis 300) 的扫描电子显微镜 (SEM Hitachi S-3500) 研究NBA-LDH薄膜的形貌,施加的加速电压为20 kV;用VG Scientific ESCALab220i-XL (VG Scientific Ltd.,UK) 光谱仪进行XPS测试;紫外可见分光光度计 (Shimadzu UV-2100S) 分析样品的光敏性能;使用500 W高压汞灯进行UV照射,在样品表面处的通量为43 mW/cm2。
2 结果与讨论 2.1 结构和形貌表征图 1是ZnAl-NO3-LDH和o-、m-和p-NBA-LDH的XRD谱图。如图所示,所有晶体样品均为六方晶型。通过公式c=(1/3)(d003+2d006 + 3d009) 可以得到样品层间距。ZnAl-NO3-LDH (图 1Ad) 在10.20°、20.21°、34.76°、61.04°出现相对衍射强度较高的 (003)、(006)、(009)、(110) 晶面特征衍射峰。经计算层间距d003为0.87 nm,与文献值0.88 nm接近[24]。图 1A曲线a~c为o-、m-和p-NBA-LDH的XRD图。2θ角均向小角度方向移动,对应层间距分别是1.64、1.51、1.50 nm (图 1Aa、b、c),表明3种阴离子已经成功地插入到水滑石层间。值得注意的是,m-NBA-LDH样品 (003) 衍射峰半峰宽较宽,预示着晶体纯度不高,可能存在其他结构。
如图 1B所示,o-、m-和p-NBA-LDH薄膜,与o-、m-和p-NBA-LDH粉体相比,薄膜呈现出强的 (00l) 衍射,同时其非基准衍射峰 (h, k≠0,如110晶面) 的缺失表明LDH颗粒组装形成高度的c轴取向性,即在00l方向具有择优取向[25]。
图 2为ZnAl-o-NBA-LDH、ZnAl-m-NBA-LDH和ZnAl-p-NBA-LDH的红外光谱,在~1350 cm-1、~1500 cm-1处a、b、c谱线均出现硝基的对称和反对称伸缩振动吸收峰,在~1400 cm-1、~1600 cm-1均出现羧酸根的对称和反对称伸缩振动吸收峰,在1600~1450 cm-1处出现苯环骨架的伸缩振动峰,而在1380 cm-1、1360 cm-1处均未出现NO3-、CO32-特征伸缩振动峰,进一步证明客体o-、m-和p-NBA成功插入到LDH层间。元素分析结果给出了o-、m-和p-NBA-LDH的化学式分别为Zn0.31 Al0.15(OH)2(C7H4NO4)0.93 · 0.67H2O、Zn0.30Al0.15(OH)2(C7H4NO4)0.95 · 0.70H2O和Zn0.30 Al0.15(OH)2(C7H4NO4)0.95 · 0.68H2O。
图 3为o-、m-和p-NBA-LDH粉体及薄膜的SEM图。o-、m-和p-NBA-LDH粉末样品表面粗糙,表明LDH粒子无规则排列。而o-、m-和p-NBA-LDH的薄膜样品显示了光滑、连续的表面形貌,水滑石晶片紧密堆积。SEM图再次证实了XRD的结果薄膜具有平行于基底的高取向性。
本工作中首次观察到o-、m-和p-NBA-LDH中的光敏作用。三者对比后发现,样品m-NBA-LDH具有最强的光敏现象,因此单独详细讨论。图 4为o-和p-NBA-LDH在高压氙灯 (500 W) 下照射25 min后的UV-Vis吸收光谱。与光照前样品相比,o-NBA-LDH样品谱图基本没有发生变化,p-NBA-LDH样品的紫外吸收曲线在~400 nm的吸收强度略有增强,增加了0.05,对应样品颜色基本没有发生变化。
图 5为m-NBA-LDH在高压氙灯 (500 W) 下分别照射0、25、50、75、100、150、200、250和300 min后的UV-Vis吸收光谱。与光照前样品相比,光照后样品的紫外吸收曲线在350~600 nm范围内的吸收强度随照射时间的延长显著增强,但增强趋势逐渐减小,对应样品颜色由浅黄色变为黄褐色。校正后的UV-Vis曲线在425 nm处出现一个新的吸收峰,表明在光照过程中很可能有新结构产生,新结构含量逐渐增加,但增加的程度有减缓的趋势,推测层间可被紫外光激发的结构是有限的,与层间客体插层量有关。光照后样品无论加热或者可见光照射,紫外吸收均无变化,表明此过程不具有可逆性,为光敏现象。3种客体在插层后出现新结构的吸收峰位置变化不大,但程度大有不同,这是取代基的位置不同所导致的。当羧基的对位连有硝基、卤素原子等吸电子基时,有利于羧酸负电荷分散,酸性增强可与苯环形成超共轭;当邻位连有取代基时,受位阻影响较大;而间位取代既不能形成超共轭体系,受位阻影响也较小,因此,间位硝基上孤对电子被苯环束缚最小,最活泼,最容易与层板元素产生特殊的配位结构。
作者前期的研究表明NiAl-NO3-LDHs具有光致变色现象,推断在这些体系中存在层间有机阴离子客体与层板Ni2+发生配位形成的畸变八面体结构单元,经过紫外光照射,层板Ni2+的电子构型会引起Jahn-Teller效应,带来该八面体结构的进一步变形,从而出现光致变色现象。前人也曾报道过阴离子客体与层板元素发生配位作用[26],而这些层板元素不仅包括d轨道未排满的Ni2+、Cu2+等, 也存在于理论上d轨道排满的Zn2+或p轨道未排满的Mg2+中。因此,我们推测m-NBA-LDH的光敏现象是由主客体相互作用造成的,m-NBA中硝基上的O原子与层板锌离子发生了特殊的配位,导致光敏现象的发生。
为验证上述推断,作者对前体ZnAl-NO3-LDH和客体m-NBA进行了同样的光照实验,紫外吸收曲线如图 6所示,发现ZnAl-NO3-LDH和m-NBA样品的颜色均未发生变化,对应于光照前后紫外光谱吸收曲线几乎完全重合 (图 6a、6b),说明样品没有光敏特性。推断m-NBA-LDH的层板上存在着规则的Zn-O八面体结构单元及特殊的八面体结构的单元,其中规则的Zn-O八面体结构单元占绝大多数,特殊的结构单元是由层板的Zn2+和层间的m-NBA中硝基上的O形成的配位结构。由此可见,m-NBA-LDH的光敏现象是由主客体相互作用引发的。从图 5A可知,变色后样品的紫外吸收比变色前明显提高,尤其在350~600 nm间增强更显著。从图 5B可知,光照后样品在425 nm处有一新吸收峰出现,表明在光照过程中这种特殊的结构单元会进一步发生结构或构型的变化。
如图 7a所示,光照前m-NBA-LDH样品 (003) 衍射峰半峰宽较宽,在小角度处包含一小峰,预示着晶体纯度不高,可能存在其他结构;光照后 (003) 衍射峰进一步向小角度移动 (6.24°→5.27°),如图 7b所示,对应d003由1.41 nm增大到1.68 nm。层间距的变化也说明在光照前m-NBA-LDH的层板上就存在着少数特殊的八面体结构单元,光照后这种特殊结构单元进一步发生结构或构型的变化,层间m-NBA取向发生微小变化,导致层间距变化。
上述结果表明,m-NBA-LDH的层板上存在着规则的Zn-O八面体结构单元及特殊的八面体结构的单元,其中规则的Zn-O八面体结构单元占绝大多数,特殊的结构单元是由层板的Zn2+和层间的NBA-配位形成的畸变的八面体结构单元,而硝基取代的位置也会影响这种特殊配位,间位取代最容易形成特殊配位结构,邻位取代受位阻影响几乎不能形成特殊配位结构。为进一步确证该结论,本文运用量化计算的方法对o-、m-和p-NBA-LDH产生光敏现象的特殊八面体结构单元进行构型分析。采用Gaussian98程序DFT方法中的杂化泛函方法B3LYP对目标化合物进行全优化计算,Zn (Ⅱ) 取全赝势Lanl2dZ基组,O、N、H取6-31G (d) 基组,优化后的稳定构型如图 8。相对于理想水滑石的规则Zn-O八面体结构单元,由Zn2+和层间的NBA-配位形成的八面体结构单元虽然存在扭曲畸变,但仍能稳定存在,与实验结果相吻合。
用离子交换法合成了o-、m-和p-NBA-LDH。采用XRD、FT-IR、UV-Vis等表征方法,对o-、m-和p-NBA-LDH粉体及薄膜的晶相结构、化学组成及光敏性能进行了系统研究。研究结果表明,光敏作用:m-NBA-LDH≫o-NBA-LDH≈p-NBA-LDH。主客体相互作用是导致m-NBA-LDH光敏现象的关键因素。m-NBA-LDH的层板上存在着规则的Zn-O正八面体结构单元及层板Zn2+与层间m-NBA-中的硝基发生配位而形成的特殊八面体结构单元,后者在紫外光照时发生畸变导致了m-NBA-LDH的光致变色现象。
运用量子化学计算的方法对m-NBA-LDH的光敏现象进行研究,采用Gaussian 98程序DFT方法中的杂化泛函方法B3LYP对m-NBA-LDH进行了结构优化、频率及激发态计算。理论计算结果表明,层板Zn2+与层间m-NBA发生配位形成的特殊八面体结构单元导致了光敏现象的发生,与实验结果一致。
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