一种金属有机框架ZIF-8光子晶体及其制备方法与应用与流程

一种金属有机框架zif-8光子晶体及其制备方法与应用
技术领域
1.本发明涉及光子晶体技术领域，尤其涉及一种金属有机框架zif-8光子晶体及其制备方法与应用。


背景技术：

2.尺寸均一的胶体颗粒可以在一定条件下结晶从而得到胶体晶体，这种胶体晶体具有特殊的光学性能，故而被称为光子晶体。光子晶体作为一种介电材料，具有周期性变化的折射率和独特的光子带隙，得以抑制某些波长的光通过光子晶体。当波长在可见光范围内时，光子禁带的存在使得光子晶体具有明亮的结构颜色。得益于此，光子晶体在传感器、显示器、生物编码、防伪、以及分离和光学设备中有广泛的潜在应用价值。因此，近年来，光子晶体引起了人们的广泛兴趣。
3.目前组装光子晶体通常使用球形的胶体颗粒，它们一般只能组装成为面心立方(fcc)、六角密堆积(hcp)、及随机密堆积(rcp)三种晶体结构，结构单一。除此之外，目前大部分使用的胶体颗粒材料局限于聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯和二氧化硅，这在很大程度上限制了光子晶体的功能化。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种金属有机框架zif-8光子晶体及其制备方法与应用，本发明首次以醋酸锌和二甲基咪唑为前驱体，利用表面活性剂控制金属有机框架zif-8过程中的晶面生长，得到的立方形zif-8立方晶型具有高比表面积和孔道结构，且具有明亮持久的结构色。
5.其具体技术方案如下：
6.本发明提供了一种金属有机框架zif-8光子晶体的制备方法，包括以下步骤：
7.步骤1：将2-甲基咪唑和表面活性剂溶于水，得到混合溶液；
8.步骤2：将所述混合溶液与醋酸锌溶液混合，进行反应，将所述反应产物离心后，用水将沉淀分散，得到胶体分散液，干燥后得到金属有机框架zif-8光子晶体。
9.本发明以醋酸锌和二甲基咪唑为前驱体，利用表面活性剂控制金属有机框架zif-8过程中的晶面生长，得到了立方形zif-8胶体颗粒，并首次组装得到了简单立方晶型的光子晶体。
10.本发明步骤1中，所述混合溶液中，2-甲基咪唑的浓度为2-10mol/l，表面活性剂的浓度为0.1-10mol/l；
11.所述表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵或十四烷基三甲基溴化铵，优选为十六烷基三甲基溴化铵。本发明可以通过改变合成金属有机框架胶体过程中所使用的表面活性剂的种类和用量对其颗粒的形状进行调控，得到不同形状的多面体胶体颗粒，并以此胶体颗粒为组装单元进行组装可以获得有别于传统球形胶体颗粒组装的三种晶型的光子晶体(面心立方(fcc)、六角密堆积(hcp)、及随机密堆积(rcp))。
12.本发明步骤2中，反应液中醋酸锌的浓度为0.30～0.35mol/l，优选为0.32mol/l；
13.所述2-甲基咪唑、醋酸锌和表面活性剂的摩尔比为2481：271：1～2720:320:1，优选为2720:320:1；
14.所述反应在常温常压下进行，反应的时间为1-5h。本发明中，常温为25
±
5℃；
15.所述干燥具体为：将胶体分散液滴加在载玻片上，然后烘干，得到金属有机框架zif-8光子晶体；所述金属有机框架zif-8光子晶体的厚度为8～12mm，优选为10mm。
16.本发明还提供了上述制备方法制得的金属有机框架zif-8光子晶体，所述金属有机框架zif-8光子晶体由立方形zif-8胶体颗粒组装得到，颗粒间的作用力为静电力。
17.本发明中，所述单分散立方形zif-8胶体颗粒的平均粒径可在160-450nm范围内调节。
18.本发明提供的金属有机框架zif-8光子晶体具有高比表面积和均匀的孔道，其比表面积为1200～1300m2/g，孔径为0.9nm。
19.本发明提供的金属有机框架zif-8光子晶体具有可调节的结构色，其结构色可源于光子晶体的一级衍射峰或二级衍射峰。
20.本发明还提供了上述金属有机框架zif-8光子晶体在显示、装饰和/或防伪中的应用。
21.从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
22.本发明提供了一种金属有机框架zif-8光子晶体的制备方法，该制备方法以醋酸锌和二甲基咪唑为前驱体，利用表面活性剂控制金属有机框架zif-8过程中的晶面生长，得到了立方形zif-8胶体颗粒，并首次组装得到了简单立方晶型的光子晶体，该光子晶体具有明亮可调的结构色，且此结构色可源于光子晶体的一级衍射峰或二级衍射峰。该光子晶体较好的维持了zif-8本身的晶体结构、比表面积和孔道结构。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
24.图1为本发明实施例1制得的zif-8光子晶体的sem图；
25.图2为本发明实施例1制得的zif-8光子晶体的afm图；
26.图3为本发明实施例1制得的橙黄色结构色的zif-8光子晶体的实物图；
27.图4为本发明实施例1制得的橙黄色结构色的zif-8光子晶体的反射光谱图；
28.图5为本发明实施例1制得的zif-8胶体颗粒的xrd图；
29.图6为本发明实施例1制得的zif-8胶体颗粒的氮气等温吸脱附曲线图；
30.图7为本发明实施例2制得的绿色结构色的zif-8光子晶体的sem图；
31.图8为本发明实施例2制得的绿色结构色的zif-8光子晶体的实物图；
32.图9为本发明实施例2制得的绿色结构色的zif-8光子晶体的反射光谱图；
33.图10为本发明实施例3制得的红色结构色的zif-8光子晶体的sem图；
34.图11为本发明实施例3制得的红色结构色的zif-8光子晶体的实物图；
35.图12为本发明实施例3制得的红色结构色的zif-8光子晶体的反射光谱图。
具体实施方式
36.为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
37.实施例1
38.本实施例为zif-8光子晶体的制备，具体制备步骤如下：
39.1、将醋酸锌溶于水得到浓度为0.32摩尔每升的醋酸锌水溶液。
40.2、将2-甲基咪唑和十六烷基三甲基溴化铵溶于水得到二者的混合水溶液，其中2-甲基咪唑的浓度为2.72摩尔每升，十六烷基三甲基溴化铵的浓度为1.10毫摩尔每升。
41.3、在搅拌下，将5ml醋酸锌水溶液与5ml 2-甲基咪唑和十六烷基三甲基溴化铵混合，并使其在常温常压下反应2小时，溶液变浑浊。
42.4、反应时间结束后，将上述悬浊液倒入离心管中，离心后将上清液倒出，加入水将沉淀分散。反复此过程三次，得到白色的胶体分散液。
43.5、将载玻片用乙醇清洗干净并晾干，取2毫升上述胶体分散液滴加在清洁好的载玻片上，在60℃烘箱中烘干，得到厚度为10mm具有简单立方晶型的zif-8光子晶体。
44.图1为本实施例zif-8光子晶体sem图，图2为本实施例zif-8光子晶体的afm图。从图1～2可知，本实施例zif-8胶体颗粒的平均粒径为233nm，zif-8胶体颗粒为立方状，组装形成的光子晶体为简单的立方晶型。
45.图3为本实施例zif-8光子晶体的实物图，图4为本实施例zif-8光子晶体的反射光谱图。从图3～4可知，本实施例zif-8光子晶体的一级衍射峰为610nm，使zif-8光子晶体呈橙黄色。
46.图5为本实施例zif-8胶体颗粒的xrd图。从图5可知，本实施例制得的zif-8胶体颗粒的衍射峰与标准卡一致。
47.图6为本实施例zif-8胶体颗粒的氮气等温吸脱附曲线图。图5和图6说明本实施例zif-8胶体颗粒保留了zif-8的晶体结构和高比表面积以及孔道结构，其中，比表面积为1300m2/g，孔径为0.9nm。
48.实施例2
49.本实施例为zif-8光子晶体的制备
50.本实施例与实施例1的区别在于：步骤2中十六烷基三甲基溴化铵的浓度由1.10毫摩尔每升替换为0.80毫摩尔每升，其他条件不变。
51.本实施例获得的zif-8光子晶体中zif-8胶体颗粒的平均粒径为450nm。zif-8胶体颗粒为立方状，组装形成的光子晶体为简单的立方晶型。
52.图7为本实施例zif-8光子晶体的sem图，图8为本实施例zif-8光子晶体的实物图，图9为本实施例zif-8光子晶体的反射光谱图。从图7～9可知，本实施例zif-8光子晶体的二级衍射峰为500nm，使zif-8光子晶体呈现绿色的结构色。
53.实施例3
54.本实施例为zif-8光子晶体的制备
55.本实施例与实施例1的区别在于：步骤2的反应时间延长至4小时。
56.本实施例获得的zif-8光子晶体中zif-8胶体颗粒的平均粒径为260nm。zif-8胶体颗粒为立方状，组装形成的光子晶体为简单的立方晶型。
57.图10为本实施例zif-8光子晶体的sem图，图11为本实施例zif-8光子晶体的实物图，图12为本实施例zif-8光子晶体的反射光谱图。从图10～12可知，本实施例zif-8光子晶体的一级衍射峰为630nm，使zif-8光子晶体为红色。
58.以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。