稀土金属--有机配合物的合成及其单分子磁和荧光性能的研究

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由金属离子和有机配体构筑的金属-有机配合物材料在气体存储、光电子材料、磁性材料及催化等领域具有潜在应用价值,它的研究是无机化学,物理化学和材料化学研究的热点交叉领域之一。镧系稀土金属离子因为具有4f轨道电子而能够使其金属-有机配合物表现出独特的发光性能。另外,大多数镧系稀土离子具有大的自旋-轨道耦合作用以及大的磁各向异性使得稀土配合物能够表现出丰富的磁学行为。特别是有些镧系稀土离子具有大的自旋基态和大的易轴磁各向异性能够产生磁翻转能垒,从而引起磁弛豫现象(这种现象又称为单分子磁行为)。这些分子基磁性材料在自旋电子学和高密度的信息储存方面具有重要的应用前景。金属-有机配合物的合成受到诸多因素的影响,比如反应时间,反应温度,反应体系的pH值,溶剂性质,模板剂的作用以及反应起始原料的摩尔比等,小小改变它们中的任何一个因素都会对合成的产物产生重大的影响。在以往的研究中,金属-有机配合物的合成几乎都是采用常规溶液法,水热法和溶剂热法。而最近几年发展起来的利用离子液体作为溶剂的离子热法在合成新颖的金属-有机配合物取得了一些进展。离子液一般是由有机阳离子(如1-乙基-3-甲基咪唑)与无机阴离子(如卤素)组成的一种离子型的溶剂。由有机卤素盐(如氯化胆碱)与有机胺(如尿素及其衍生物)或醇或羧酸组成的低共熔溶剂也被称为离子液,这种离子液经济便宜,适合于大规模的材料合成。而直接用尿素及其衍生物作为溶剂的合成方法则被称为脲热合成法。这些新型的溶剂有别于传统的水,乙醇以及N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)等分子型溶剂,因此在这些溶剂中必然会合成得到结构和性能新颖的金属-有机配合物。本论文采用低共熔溶剂的离子热合成方法和脲热合成方法来合成镧系稀土-有机配合物。用这两种合成方法共合成出10个新颖结构的镧系稀土金属-有机配合物。对这10个配合物都进行了结构表征如单晶X-射线衍射和红外光谱,同时还对部分配合物进行了热稳定性、固态荧光或磁性等测试。根据合成配合物所使用的有机配体,将这10个配合物分为三组:(a)以6-磺酸基-1,4-萘二甲酸(H3sndc)配体合成的金属-有机配合物{[Ln(sndc)(e-urea)2](e-urea)}n(Ln=La(1)和Ce(2));e-urea=ethyleneurea (亚乙基脲));(b)以2,2’-联苯二甲酸(H2bpdc)为配体合成的金属-有机配合物[Ln(bpdc)(NO3)(e-urea)3]n(Ln=Eu(3), Gd(4)和Tb(5)),{[Ln4(bpdc)6(e-urea)2(H2O)2](e-urea)2}n(Ln=Dy(6)和Tb(7));(c)以亚乙基脲(e-urea)直接为配体合成的配合物[Ln(e-urea)8](NO3)3(Ln=Gd(8),Dy(9)和Tb(10))。本论文分为四个部分:第一章为前言,简要介绍了金属-有机配合物的概念以及金属-有机配合物的最新研究进展。第二章描述了配合物{[Ln(sndc)(e-urea)2](e-urea)}n(Ln=La(1)和Ce(2))的合成和晶体结构。{[Ln(sndc)(e-urea)2](e-urea)}n是一个双层的二维层状结构。并对{[La(sndc)(e-urea)2](e-urea)}n配合物进行了铕掺杂,研究了铕掺杂后的配合物的荧光性能。第三章是5个配合物[Ln(bpdc)(NO3)(e-urea)3]n(Ln=Eu(3), Gd(4)和Tb(5))和{[Ln4(bpdc)6(e-urea)2(H2O)2](e-urea)2}n(Ln=Dy(6)和Tb(7))的合成和晶体结构。配合物[Ln(bpdc)(NO3)(e-urea)3]n的结构是一维的螺旋链结构。并对配合物Eu(3)和Tb(5)的荧光性能进行了研究。配合物{[Ln4(bpdc)6(e-urea)2(H2O)2](e-urea)2}n(Ln=Dy(6)和Tb(7))也是一维的链状结构,但不是螺旋链,而是基于线性四核镧系稀土簇结构单元的一维链结构。我们对配合物Dy(6)和Tb(7)的磁学性能进行了研究,研究发现配合物Dy(6)表现出了磁弛豫行为。第四章是在脲热合成的方法中获得了3个配合物[Ln(e-urea)8](NO3)3(Ln=Gd(8),Dy(9)和Tb(10))。这3个异质同晶的配合物是单核的结构,是由8个亚乙基脲(e-urea)配体直接与稀土离子配位。我们对配合物Dy(9)和Tb(10)的磁性研究发现配合物Dy(9)表现出了磁弛豫现象。第五章是对本论文的总结与展望。
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