草酸钕[Nd(H2O)(C2O4)2](C6N2H16)0.5⋅2H2O的合成、结构及质子传导性质

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2023.04.009

摘要/Abstract

摘要：

以N,N'?二甲基哌嗪为结构导向剂，在水热条件下合成了一个具有三维开放骨架结构的草酸钕[Nd(H₂O)(C₂O₄)₂](C₆N₂H₁₆)_0.5?2H₂O（化合物1）。单晶X?射线衍射测试结果表明，化合物1的结构由单帽四方反棱柱体NdO₉和草酸单元相互连接构成；其结构中含有三维贯穿的12?元环孔道，其中水分子和质子化的Me₂ppz阳离子分别位于沿着b轴和a轴的孔道中。客体水分子的存在为质子导电性能提供了结构基础。水热及酸碱稳定性测试结果表明，化合物1的结构具有优异的稳定性。交流阻抗测试结果表明，化合物1具有高的质子传导率，在温度为348 K、相对湿度（RH）为98%的条件下，其质子传导率为2.81×10^-4 S/cm。

关键词: 镧系金属, 草酸盐, 质子传导

Abstract:

Using N,N'?Dimethylpiperazine as structure directing agent, a 3D open?framework neodymium oxalate [Nd(H₂O)(C₂O₄)₂](C₆N₂H₁₆)_0.5?2H₂O (compound 1) was synthesized under hydrothermal condition. The single crystal X?ray diffraction reveals that the structure is composed of alternating single?capped tetragonal antiprism NdO₉ and oxalic acid units connected to each other. The structure contains three?dimensional 12?membered ring channels, in which water molecules and protonated Me₂ppz cations are located in the channels along the b and a axes, respectively. The presence of guest water molecules provides the structural basis for proton conductivity. The results of hydrothermal and acid?base stability tests show that the structure of compound 1 had excellent stability. AC impedance tests show that compound 1 has a high proton conductivity, which is 2.81×10^-4 S/cm at 348 K and 98% RH.

Key words: Lanthanide metal, Oxalate, Proton conduction

中图分类号:

TQ152

李冰, 赵姗姗, 黄亮亮. 草酸钕[Nd(H₂O)(C₂O₄)₂](C₆N₂H₁₆)_0.5⋅2H₂O的合成、结构及质子传导性质[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(4): 59-65.

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图/表 8

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项目	数据	项目	数据
分子式	C₇H₁₄NNdO₁₁	V/nm³	675.61(7)
相对分子质量	432.43	Z，理论密度/（g·cm^-3）	2,2.126
测试温度/K	273	吸收系数/mm^-1	3.898
波长/nm	0.7107 3	单胞内的电子数目	422
晶系，空间群	三斜，P⁃1	数据收集的角度范围/（°）	2.409~25.092
a/nm	8.386 9(5)	收集/独立衍射数据	4 232/2 375（R_int=0.032 8）
b/nm	9.618 4(6)	基于F²精修的吻合因子	1.103
c/nm	9.896 7(6)	可观察衍射的吻合因子	R₁=0.028 0，wR₂=0.052 6
β/（°）	74.350 0(2)	所有数据的吻合因子	R₁=0.034 3，wR₂=0.054 4

项目	数据	项目	数据
分子式	C₇H₁₄NNdO₁₁	V/nm³	675.61(7)
相对分子质量	432.43	Z，理论密度/（g·cm^-3）	2,2.126
测试温度/K	273	吸收系数/mm^-1	3.898
波长/nm	0.7107 3	单胞内的电子数目	422
晶系，空间群	三斜，P⁃1	数据收集的角度范围/（°）	2.409~25.092
a/nm	8.386 9(5)	收集/独立衍射数据	4 232/2 375（R_int=0.032 8）
b/nm	9.618 4(6)	基于F²精修的吻合因子	1.103
c/nm	9.896 7(6)	可观察衍射的吻合因子	R₁=0.028 0，wR₂=0.052 6
β/（°）	74.350 0(2)	所有数据的吻合因子	R₁=0.034 3，wR₂=0.054 4

温度/ ^oC	质子传导率/（S⋅cm^-1）
温度/ ^oC	44%RH	58%RH	67%RH	76%RH	86%RH	98%RH
30		1.04×10^-8	2.42×10^-8	1.10×10^-7	3.28×10^-6	1.95×10^-5
35		2.65×10^-8	3.98×10^-8	2.52×10^-7	4.86×10^-6	2.66×10^-5
40	3.41×10^-8	5.77×10^-8	9.48×10^-8	5.80×10^-7	8.81×10^-6	3.53×10^-5
45	8.88×10^-8	1.22×10^-7	1.83×10^-7	1.00×10^-6	1.42×10^-5	4.69×10^-5
50	2.64×10^-7	3.00×10^-7	4.04×10^-7	1.83×10^-6	2.08×10^-5	6.30×10^-5
55	7.11×10^-7	7.61×10^-7	8.66×10^-7	2.57×10^-6	3.56×10^-5	8.80×10^-5
60	2.05×10^-6	2.25×10^-6	1.71×10^-6	4.77×10^-6	6.02×10^-5	1.13×10^-4
65	5.05×10^-6	5.57×10^-6	2.72×10^-6	8.39×10^-6	8.54×10^-5	1.60×10^-4
70	1.38×10^-5	1.50×10^-5	4.36×10^-6	1.66×10^-5	1.60×10^-4	2.34×10^-4
75	3.90×10^-5	3.81×10^-5	1.57×10^-5	3.04×10^-5	2.05×10^-4	2.81×10^-4

温度/ ^oC	质子传导率/（S⋅cm^-1）
温度/ ^oC	44%RH	58%RH	67%RH	76%RH	86%RH	98%RH
30		1.04×10^-8	2.42×10^-8	1.10×10^-7	3.28×10^-6	1.95×10^-5
35		2.65×10^-8	3.98×10^-8	2.52×10^-7	4.86×10^-6	2.66×10^-5
40	3.41×10^-8	5.77×10^-8	9.48×10^-8	5.80×10^-7	8.81×10^-6	3.53×10^-5
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50	2.64×10^-7	3.00×10^-7	4.04×10^-7	1.83×10^-6	2.08×10^-5	6.30×10^-5
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60	2.05×10^-6	2.25×10^-6	1.71×10^-6	4.77×10^-6	6.02×10^-5	1.13×10^-4
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75	3.90×10^-5	3.81×10^-5	1.57×10^-5	3.04×10^-5	2.05×10^-4	2.81×10^-4

[1]	李虹陆, 黄亮亮. Ln⁃MOF质子传导材料研究进展[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(2): 35-41.
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草酸钕[Nd(H₂O)(C₂O₄)₂](C₆N₂H₁₆)_0.5⋅2H₂O的合成、结构及质子传导性质

Synthesis, Structure and Proton Conductivity Study of Neodymium Oxalate [Nd(H₂O)(C₂O₄)₂](C₆N₂H₁₆)_0.5⋅2H₂O

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