2019年第3期广东化工
第46卷总第389期www.gdchem ·211 ·
应用化学专业探究性实验——ZIFs材料的制备及其
吸附性能研究
梁若雯1，何周骏2
(1．宁德师范学院化学与材料学院，福建宁德352100；2．宁德师范学院人事处，福建宁德352100) [摘要]本文利用快速沉淀法合成一类沸石咪唑骨架材料(zeolitic imidazolate frameworks, ZIFs)，为一类由金属原子桥联多个咪唑类环型有机
分子组成的化合物，具有易合成、高热稳定性和高化学稳定性的特点。利用X-射线粉末衍射仪(XRD)和红外光谱仪(FTIR)等表征手段，对ZIFs 光催化剂进行物相分析。选用吸附孔雀石绿(MG)和亚甲基蓝(MB)作为探针反应，考察研究ZIFs的吸附性能。测试结果表明吸附60 min后，ZIF-8和ZIF-67对MG的吸附率高达100 %。
[关键词]探究性实验；ZIFs材料；吸附性能
[中图分类号]G4 [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2019)03-0211-01
A Inquiring Experiment of Applied Chemistry Major: Synthesis of ZIFs Materials
and Their Adsorption Capacities
Liang Ruowen1, He Zhoujun2
(1. Department of chemistry and materials, Ningde Normal University, Ningde 352100；
2. Department of Personnel, Ningde Normal University, Ningde 352100, China)
Abstract: In this paper, a typical metal organic freamwork material (MOFs), ZIFs has been synthesized through hydrothermal method. Their structures and properties are determined by the X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), transmission electron microscopy (TEM). Adsorption of malachite green (MG) and methylene blue (MB) were employed as a model reaction to evaluate the adsorption capacity of the ZIFs. Experimental results have shown that after adsorption for 60 min almost 100 % MG has been adsorbed by ZIF-8 and ZIF-67.
reaction研究Keywords: inquiring experiments；ZIFs；adsorption capacity
《探究性实验》是通过实验来探索一个未知的问题，能激发学生的好奇心，培养科学探究能力。本课程以培养和提高学生创新意识和综合科研能力为目标，借鉴化学研究的一般模式开展实验教学，课程内容紧密跟踪化学学科科研前沿，提倡学科交叉与融合。通过本课程的训练，最大限度地夯实实验教学与科学研究之间的纽带，培养学生初步具备化学专业人才应有的思维能力、创新意识、科研素养和团队精神；通过本课程教学，培养和提高学生的综合实践能力和科学素质，以满足现代化学人才培养的需要。
ZIFs是将咪唑上的N原子络合到二价过渡金属离子上而形成的一种具有沸石拓扑结构的多孔晶体材料，通过调变配体或配体间的相互作用就可以形成不同结构的ZIFs材料。很多不同的ZIF 结构通过简单调整，以及相互之间的交联—交联作用就可以形成，ZIFs材料具有较高的热稳定性，化学稳定性，比表面积大，孔道结构规整，孔道和表面化学性质可调变等特征，在吸附、分离和催化等方面均表现出了广阔的应用前景。
1 实验目的
(1)了解ZIF-8、ZIF-67的制备原理及方法。
(2)掌握离心机、XRD、红外光谱仪、紫外分光光度计的测定。
(3)并掌握快速沉淀法。
2 设计思路
2.1 ZIFs的合成
类沸石咪唑骨架材料(zeolitic imidazolate frameworks, ZIFs)，为一类由金属原子桥联多个咪唑类环型有机分子组成的化合物，具有易合成、高热稳定性和高化学稳定性的特点，目前已研究的MOF膜中有70 %以上都是由ZIF类材料合成。本实验采用快速沉淀法分别将金属离子与配体的前驱液混合，以沉淀的形式搜集与洗涤样品。
2.2 表征
对ZIFs采用红外光谱仪、荧光光谱仪、粉末衍射仪、热重-差热分析仪等仪器进行表征。
2.3 吸附性能
选用罗丹明B、孔雀石绿等常见染料考察所得样品的吸附性能。3 实验方案
3.1 ZIF-8的制备——快速沉淀法
以15 mL的DMF/甲醇/乙醇溶剂，将六水合硝酸锌(8.67×10-3 mol)和二甲基咪唑(2×10-2 mol，1.64 g)分
别溶入其中形成混合液。接着把二甲基咪唑混合溶液倒入六水合硝酸锌混合溶液，边搅拌边加入2 mL的三乙胺，可以迅速得到白沉淀。得到的产物用甲醇洗涤，然后在高速离心机离心10 min，最后在65 ℃烘箱中烘干24 h，得到ZIF-8。
3.2 ZIF-67的制备——快速沉淀法
以15 mL的DMF/甲醇/乙醇溶剂，将六水合硝酸钴(8.67×10-3 mol)和二甲基咪唑(2×10-2 mol，1.64 g)分别溶入其中形成混合液。接着把二甲基咪唑混合溶液倒入六水合硝酸锌混合溶液，边搅拌边加入2 mL的三乙胺，可以迅速得到白沉淀。得到的产物用甲醇洗涤，然后在高速离心机离心10 min，最后在65 ℃烘箱中烘干24 h，得到ZIF-67。
3.3 XRD测试
将烘干好的ZIF用玛瑙展钵磨成粉末，填充到式样皿中，并用玻璃板压平实，直至试样面与玻璃表面齐平。放进XRD衍射仪开始样品测试。测量完毕，数据处理。
3.4 FTIR测试
从剩余的ZIF粉末中取1~2 mg，加入在红外下烘干的100~200 mg溴化钾粉末，在玛瑙研钵中充分磨细，使之混合均匀，取出约80 mg混合物均匀铺洒在干净的压模内，于压片机上制成直径透明薄片，将此片
装于固体样品架上，放入红外光谱仪的样品池处，进行测定，得到吸收谱图。
3.5 吸附性能
再从剩余的ZIF粉末分别称量0.02 g放入两个干燥好的锥形瓶，并放入干燥好的搅拌子，用干燥好的50 mL量筒分别量取40 mL亚甲基兰溶液和孔雀石绿溶液于锥形瓶中，进行搅拌。每隔10分钟取一次样，取样完毕后，将样品放入离心机离心3分钟，取上清液进行紫外分光光度法测定。
4 问题思考
(1)快速沉淀法中选用溶剂的不同会对最后的ZIFs产品造成什么影响？
(下转第220页)
[收稿日期] 2018-12-29
[基金项目] 2017年宁德市科技计划项目(2017137)
[作者简介] 梁若雯(1989-)，女，福建人，讲师，博士研究生，主要研究方向为物理化学、探究性实验等课程教学。
广  东  化  工                                  2019年 第3期
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1.5
3.0
4.5
6.0
02
4
6
8
10
体积 / %
粒径 /  m
图5  最优条件下制备的Fe 3O 4的粒径分布图
Fig.5  Particle size distributions of Fe 3O 4 prepared under optimal
conditions
在最优条件下进行实验得到了亮黑的Fe 3O 4颗粒，以水为分散介质，用KW510型全自动激光粒度分析仪对制备得到的Fe 3O 4颗粒的粒度分布情况进行测定，其在水中的体积分布曲线如图5所示。从中可以看出其粒度分布较窄，集中分布在0.1~3.2 μm 之间，体积加权平均径D[4,3]为1.05 μm ，D50为0.95 μm 。制备得到的粒径小于3 μm 的Fe 3O 4颗粒占了99.93 %，而粒径小于1 μm 的Fe 3O 4颗粒占了52.84 %，这表明了该微型材料化学实验得到的四氧化三铁颗粒分布较均匀，属于微米级四氧化三铁材料。
3 结论
本文通过正交试验确定了该微型材料化学实验得到四氧化三铁颗粒的最优组合为A 3B 1C 4D 2E 3，即F
e 3+与 Fe 2+的物质的量之比为4:3，反应时间为0.5 h ，反应温度为80 ℃，晶化时间为1 h 和晶化温度为70 ℃为最佳条件，其产率为72.9 %。该实验制备及表征耗时约4 h ，满足《材料化学实验》开设课程教学的课时要求，通过简化装置与微型装置相结合的微型材料化学实验方法达到了教学的目标，让学生掌握了材料的制备方法及其表征手段，大大地提高了课堂的教学效率。通过微型装置的方案设计的过程，也能让学生敢于去创新实验课程教学方案，提高创新思维能力和实
践能力。
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(上接第211页)
(2)使用离心机洗涤样品，应注意哪些操作？ (3)ZIFs 材料对染料是否具有选择性吸附性能，请详细解释？ (4)各种测试手段都有什么目的？
(本文文献格式：梁若雯，何周骏．应用化学专业探究性实验——ZIFs 材料的制备及其吸附性能研究[J]．广东化工，2019，46(3)：211)
(上接第214页)
望在今后的教学中能够尽量多的应用这种方法来提高大家的学习兴趣和解决实际问题的能力。
4 小结
案例教学法是一种实践证明的效果良好的教学方法，有利于加深学生对理论教学内容的理解，为生物化学的教学改革提供了依据。该方法可以大大缩短课堂教学和临床实际的距离，学生可最大限度地接近临床情景，从而使学生明确认识理论在实践中的作用。在具体、生动、真实的案例教学中，学生的自学、思考、记忆、归纳、分析和表达能力都得到极大的提高。案例教学法改革了生物化学传统的教学观念，有助于培养医学综合性、实用性人才[6]。总之，案例教学法是一种经过实践证明行之有效的教学方法，可以应用到医学生物化学的教学过程中，单在应用的时候，我们也要活学活用，这样才能提高教育教学质量。
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