Synthese eines 2D-Komplexes auf Kupferbasis und Erweiterung zu einer 3D-Struktur, um seine Anwendungen zu erkunden

Eine Forschungsgruppe hat einen 2D-Komplex auf Kupferbasis synthetisiert und ihn durch Zugabe von H4SiW12O40 und Seltenerdmetall zu einer 3D-Struktur erweitert. Durch diese Synthesemethode erhielt das Team drei isostrukturelle 3d-4f-POMs mit eingebautem Metall.

Anschließend untersuchte das Team die Anwendung dieser Komplexe in den Bereichen Fluoreszenz und Elektrochemie. Sie entdeckten, dass diese Komplexe mit ihrer erweiterten Struktur als Fluoreszenzsensor zum Nachweis von Nickelkationen (Ni2+), Chrom (Cr3+) und Nitrit (NO2-) sowie als elektrochemischer Sensor zum Nachweis von Nitrit verwendet werden könnten. Diese Arbeit birgt potenzielle Anwendungen in der Umweltüberwachung.

Ihre Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Polyoxometallate.

Polyoxometallate (POMs) weisen eine große Vielfalt an Strukturen und Funktionen auf, was sie zu einer der vielseitigsten Klassen anorganischer molekularer Materialien macht. Sie entstehen durch die Verbrückung von Sauerstoffatomen mit Übergangsmetallen in ihren Oxidationsstufen. Ihre potenziellen Anwendungen sind vielfältig und umfassen Materialwissenschaften, Katalyse, Medizin, Umweltschutz und Wasserstoffproduktion.

Da sich POMs jedoch leicht in sauren oder neutralen Lösungen lösen, ist ihr Einsatz in verschiedenen Anwendungen begrenzt. Eine mögliche Strategie zur Überwindung dieser Einschränkung besteht darin, POMs mit Metallionen zu Metallkomplexen zu kombinieren.

Daher synthetisierte das Team die kupferbasierten Komplexe von einer 2D-Struktur zu einer 3D-Struktur, indem es Kieselwolframsäure (H4SiW12O40) und Seltenerdmetalle hinzufügte. Sie verwendeten eine hydrothermale Methode, bei der die Kristalle über einen längeren Zeitraum erhitzt und dann abgekühlt wurden, und verwendeten außerdem einen Liganden, der Stickstoff und Carbonsäure als Bindemittel enthielt, um den Komplex von 2D auf 3D zu erweitern.

Durch Zugabe von Kieselwolframsäure und Seltenerdmetall (Ln3+) gelang es ihnen, erfolgreich drei 3d-4f-Bimetall-POM-Komplexe herzustellen. Im Allgemeinen sind 3d-4f-Metallkomplexe Koordinationsverbindungen, die aus Übergangsmetallionen und Seltenerdmetallen, sogenannten Lanthaniden, bestehen.

Als nächstes charakterisierten sie die Reinheit, thermische Stabilität sowie die optischen und elektrochemischen Eigenschaften der drei erhaltenen POM-Komplexe. Zur Untersuchung der Komplexe verwendeten sie Techniken wie Röntgenbeugung, Infrarotspektrumanalyse, thermogravimetrische Analyse und Ultraviolett-sichtbare Absorptionsspektrenanalyse.

Sie wählten eine der Verbindungen (Cu-Sm-CP) aus, um sie als Sensor zu untersuchen. Sie nutzten die Verbindung als Fluoreszenzsonde zur Identifizierung von Metallkationen. Das Team untersuchte die Fähigkeit der Verbindung, verschiedene Metallionen in Wasser bei Raumtemperatur nachzuweisen. Zur Detektion wählten sie 13 Metallionen aus. Sie verwendeten die Verbindung auch zur elektrochemischen Messung von Nitrat.

Nitrat ist ein hochgiftiger Stoff, der im menschlichen Körper leicht krebserregend wirken und sogar zum Tod führen kann. Die Ergebnisse des Teams zeigten, dass Cu-Sm-CP eine potenzielle Anwendung im Bereich der Elektrokatalyse hat und als elektrochemisches Sensormaterial für die Nitritdetektion eingesetzt werden kann.

„Wir haben drei isostrukturelle 3d-4f-POMs synthetisiert und darunter Cu-Sm-CP als Fluoreszenz- und elektrochemische Doppelfunktionssensoren ausgewählt, um Cr3+ und Ni2+ mittels Fluoreszenzsensorik sowie Nitrit mittels elektrochemischer Sensorik zu erkennen“, sagte Wei Yao Universität für Wissenschaft und Technologie Liaoning. In den letzten Jahren hat der Nachweis von Spurenmetallionen aufgrund der extrem toxischen und akuten Vergiftungen durch Metallionen immer mehr Aufmerksamkeit erregt.

Das Team entdeckte, dass Cu-Sm-CP bemerkenswerte Fähigkeiten zur Fluoreszenzerkennung aufweist und es ihnen ermöglicht, Cr3+ und Ni2+ in wässrigen Lösungen mit außergewöhnlichen Erkennungs- und Anti-Interferenz-Eigenschaften zu identifizieren. „Schließlich zeigt Cu-Sm-CP als elektrochemischer Sensor eine hervorragende elektrokatalytische Leistung für die Nitritoxidation“, sagte Yao.

Die Arbeit des Teams liefert nicht nur eine einfache und praktikable Methode zur Herstellung von 3d-4f-POM-Komplexen mit eingebautem Metall, sondern liefert auch wirksame Materialien für die Fluoreszenzsensorik und die elektrochemische Sensorik.

Mit Blick auf die zukünftige Forschung hofft das Team, seine Tests unter realen Umweltbedingungen auszuweiten. „Der nächste Schritt besteht darin, den Analyten in der tatsächlichen Umgebung nachzuweisen und schließlich den Nachweis schädlicher Ionen in lebendem Wasser abzuschließen, was einen potenziellen Anwendungswert bei der Umweltüberwachung haben könnte“, sagte Yao.