层状磷酸铝化合物Na4[Al4P4O18]·H2O的合成及质子电导性能研究

doi:10.7503/cjcu20150685

摘要/Abstract

摘要：

在无有机模板剂的条件下, 以Na⁺离子为结构导向剂, 通过水热合成法制备了一种与利用1,3-丙二胺合成的Uio-14具有相同层结构的二维磷酸铝化合物Na₄[Al₄P₄O₁₈]·H₂O(1), 通过单晶X射线衍射确定了其拓扑结构. 利用粉末X射线衍射、扫描电子显微镜、电感耦合等离子体( ICP)元素分析和热重分析等对其物理化学性质进行了表征. 结果表明, 化合物1属于单斜晶系, 空间群为P2₁/c, 晶胞参数a=1.00887(9) nm, b=0.86747(8) nm, c=0.97580(9) nm, V=0.77387(12) nm³, Z=2, 其阴离子层由铝氧三角双锥(AlO₅)和磷氧四面体(PO₄)构成, 层间通过Na⁺离子平衡电荷; 与Uio-14相比, 化合物1具有更高的热稳定性, 在400 ℃空气条件下煅烧后结构仍然保持完好. 对化合物1的质子电导性能测试结果表明, 相比于传统的分子筛类材料, 化合物1展现出优异的质子电导性能, 在55 ℃下质子电导率可达到1.19×10^-3 S/cm.

关键词: 分子筛, 层状磷酸铝, 质子电导, 水热合成

Abstract:

In the organotemplate-free system, a layered aluminophosphate Na₄[Al₄P₄O₁₈]·H₂O(1) was synthesized with Na⁺ ion as the structure-directing agent under hydrothermal condition. The structure was determined by single-crystal X-ray diffraction, and further characterized by powder X-ray diffraction(PXRD), scanning electron microscopy(SEM), inductively coupled plasma(ICP) and thermal gravimetric(TG) analyses. Compound 1 crystallizes in the monoclinic space group P2₁/c with a=1.00887(9) nm, b=0.86747(8) nm, c=0.97580(9) nm, V=0.77387(12) nm³, and Z=2, and its framework consists of AlO₅ and PO₄ units. Compound 1 possesses high thermal stability, and the crystal structure remains unchanged after calcination at 400 ℃ in air. The proton conductivity measurement gives that compound 1 possesses excellent conductivity with σ the value of 1.19×10^-3 S/cm when immersed in water at 55 ℃, which is higher than those of traditional zeolitic materials.

Key words: Zeolite, Layered aluminophosphate, Proton conductivity, Hydrothermal synthesis

中图分类号:

O611.4

TrendMD:

王宁, 孙启明, 颜岩, 刘健聪, 于吉红, 徐如人. 层状磷酸铝化合物Na₄[Al₄P₄O₁₈]·H₂O的合成及质子电导性能研究. 高等学校化学学报, 2015, 36(11): 2311.

WANG Ning, SUN Qiming, YAN Yan, LIU Jiancong, YU Jihong, XU Ruren. Organotemplate-free Synthesis and Proton Conduction Properties of a Layered Aluminophosphate Na₄[Al₄P₄O₁₈]·H₂O^†. Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(11): 2311.

图/表 11

参考文献 33

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Empirical formula	Al₄P₄O₁₉H₂Na₄	Calculated density/(Mg·m^-3)	2.694
Crystal system	Monoclinic	Absorption coefficient/mm^-1	0.940
Space group	P2₁/c	F(000)	616
a/nm	1.00887(9)	Limiting indices	-13≤h≤7, -11≤k≤11, -11≤l≤13
b/nm	0.86747(8)	Reflections collected/unique[R(int)=0.0270]	5485/1935
c/nm	0.97580(9)	Refinement method	Full-matrix least-squares on F²
α/(°)	90	Data/restraints/parameters	1935/7/152
β/(°)	115.0160(10)	Goodness-of-fit on F²	1.041
γ/(°)	90	Final R indices[I>2σ(I)]	R₁=0.0307, wR₂=0.0795
V/nm³	0.77387(12)	R indices(all data)	R₁=0.0386, wR₂=0.0835
Z	2

Empirical formula	Al₄P₄O₁₉H₂Na₄	Calculated density/(Mg·m^-3)	2.694
Crystal system	Monoclinic	Absorption coefficient/mm^-1	0.940
Space group	P2₁/c	F(000)	616
a/nm	1.00887(9)	Limiting indices	-13≤h≤7, -11≤k≤11, -11≤l≤13
b/nm	0.86747(8)	Reflections collected/unique[R(int)=0.0270]	5485/1935
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α/(°)	90	Data/restraints/parameters	1935/7/152
β/(°)	115.0160(10)	Goodness-of-fit on F²	1.041
γ/(°)	90	Final R indices[I>2σ(I)]	R₁=0.0307, wR₂=0.0795
V/nm³	0.77387(12)	R indices(all data)	R₁=0.0386, wR₂=0.0835
Z	2

Atom	x	y	z	U_eq	Atom	x	y	z	U_eq
Al1	6752(1)	2981(1)	7649(1)	10(1)	O6	7890(2)	-346(2)	10647(2)	21(1)
Al2	3834(1)	3981(1)	4444(1)	10(1)	O7	3461(2)	-542(2)	6108(2)	15(1)
P1	3981(1)	1123(1)	6456(1)	10(1)	O8	5577(2)	4088(2)	6003(2)	12(1)
P2	8624(1)	1262(1)	10900(1)	11(1)	O9	10259(2)	1107(2)	11597(2)	24(1)
O1	3307(2)	2031(2)	4977(2)	14(1)	O1W	-75(17)	220(20)	5430(40)	43(5)
O2	5659(2)	1229(2)	7131(2)	14(1)	O1W'	0	0	5000	43(6)
O3	8109(2)	2037(2)	9368(2)	18(1)	Na1	9545(1)	7345(2)	5822(2)	32(1)
O4	8167(2)	2807(2)	6972(2)	18(1)	Na2	2594(1)	4450(1)	7686(2)	34(1)
O5	3481(2)	1845(2)	7602(2)	14(1)

Atom	x	y	z	U_eq	Atom	x	y	z	U_eq
Al1	6752(1)	2981(1)	7649(1)	10(1)	O6	7890(2)	-346(2)	10647(2)	21(1)
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P1	3981(1)	1123(1)	6456(1)	10(1)	O8	5577(2)	4088(2)	6003(2)	12(1)
P2	8624(1)	1262(1)	10900(1)	11(1)	O9	10259(2)	1107(2)	11597(2)	24(1)
O1	3307(2)	2031(2)	4977(2)	14(1)	O1W	-75(17)	220(20)	5430(40)	43(5)
O2	5659(2)	1229(2)	7131(2)	14(1)	O1W'	0	0	5000	43(6)
O3	8109(2)	2037(2)	9368(2)	18(1)	Na1	9545(1)	7345(2)	5822(2)	32(1)
O4	8167(2)	2807(2)	6972(2)	18(1)	Na2	2594(1)	4450(1)	7686(2)	34(1)
O5	3481(2)	1845(2)	7602(2)	14(1)

Al1—O4	0.18147(18)	Al2—O1	0.19098(18)	P2—O6	0.15493(19)
Al1—O8	0.18163(18)	Al2—Al2#3	0.27720(14)	O4—P2#2	0.15384(18)
Al1—O2	0.18198(18)	P1—O7	0.15253(17)	O5—Al2#4	0.18248(18)
Al1—O7#1	0.18381(18)	P1—O1	0.15275(17)	O6—Al2#5	0.18002(19)
Al1—O3	0.18482(18)	P1—O2	0.15375(18)	O7—Al1#5	0.18381(18)
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Al2—O6#1	0.18002(19)	P2—O9	0.15006(19)	O1W—O1W'	0.050(4)
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Al2—O8#3	0.18895(17)	P2—O4#4	0.15384(18)	O1W'—O1W#6	0.050(4)
O4—Al1—O8	92.40(8)	O6#1—Al2—O1	85.80(8)	O9—P2—O6	110.56(11)
O4—Al1—O2	107.89(9)	O5#2—Al2—O1	87.70(8)	O3—P2—O6	107.49(11)
O8—Al1—O2	95.95(8)	O8#3—Al2—O1	177.59(8)	O4#4—P2—O6	108.68(10)
O8—Al1—O7#1	90.01(8)	O6#1—Al2—Al2#3	117.05(7)	P1—O2—Al1	126.64(10)
O2—Al1—O7#1	122.63(9)	O5#2—Al2—Al2#3	114.53(7)	P2—O3—Al1	154.78(12)
O4—Al1—O3	84.21(8)	O8#3—Al2—Al2#3	39.33(5)	P2#2—O4—Al1	135.39(11)
O8—Al1—O3	173.26(9)	O1—Al2—Al2#3	138.29(7)	P1—O5—Al2#4	124.65(11)
O2—Al1—O3	90.64(8)	O7—P1—O1	107.72(9)	P2—O6—Al2#5	133.37(11)
O7#1—Al1—O3	87.62(8)	O7—P1—O2	111.38(10)	P1—O7—Al1#5	129.71(10)
O8—Al2—O6#1	127.69(9)	O1—P1—O2	110.14(10)	Al2—O8—Al1	140.33(10)
O8—Al2—O5#2	125.03(9)	O7—P1—O5	111.00(10)	Al2—O8—Al2#3	98.24(8)
O6#1—Al2—O5#2	107.27(9)	O1—P1—O5	108.93(10)	Al1—O8—Al2#3	121.43(9)
O8—Al2—O8#3	81.76(8)	O2—P1—O5	107.65(10)	O1W'—O1W—O1W#6	0.002(15)
O6#1—Al2—O8#3	95.32(8)	O9—P2—O3	109.84(11)	O1W—O1W'—O1W#6	180.00(2)
O5#2—Al2—O8#3	94.00(8)	O9—P2—O4#4	109.07(11)
O8—Al2—O1	95.87(8)	O3—P2—O4#4	111.19(10)

层状磷酸铝化合物Na₄[Al₄P₄O₁₈]·H₂O的合成及质子电导性能研究

Organotemplate-free Synthesis and Proton Conduction Properties of a Layered Aluminophosphate Na₄[Al₄P₄O₁₈]·H₂O^†

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