Citation: HAN Wenjing, BAIYIN Menghe. Solvothermal Synthesis and Characterization of Cs8Mn4Sn4Se16 and[Ni(1, 2-dap)3]2Cd2Sn2S8(1, 2-dap: 1, 2-Propanediamine)Chains[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2018, 35(6): 700-707. doi: 10.11944/j.issn.1000-0518.2018.06.170234
链状Cs8Mn4Sn4Se16和[Ni(1, 2-dap)3]2Cd2Sn2S8(1, 2-dap:1, 2-丙二胺)的溶剂热合成与表征
English
Solvothermal Synthesis and Characterization of Cs8Mn4Sn4Se16 and[Ni(1, 2-dap)3]2Cd2Sn2S8(1, 2-dap: 1, 2-Propanediamine)Chains
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硫属化合物因具有一系列珍贵的物理及化学性质,特别是多元的主族硫属化合物(Ge、Sn、As、Sb和In)能够实现在光致发光、非线性光学、离子交换、半导体、光电、化学吸附、分子筛、磁性能、催化性能等领域的相互作用[1-8],使得硫属化合物的合成研究在高科技研究领域有着举足轻重的作用。
有机溶剂热法合成硫属化合物在无机合成中扮演重要的角色,主要是因为有机胺中氢键或分子间的作用力对化合物的结构能够起到强大的调控作用,使其可形成结构新颖独特的化合物,极大地丰富了硫属化合物的合成研究。近年来,科研工作者们采用溶剂热法合成出了一系列以碱金属作为客体阳离子的硫属锡酸盐:2003~2015年白音孟和等[9-13]合成二维层状(2-D)化合物K2Ag6Sn3S10、K4Ag2Sn3S9·2H2O、K2CdSnS4、K2Cu2Sn2S6和三维网状(3-D)化合物RbNa3Cd2Sn2S8;2015年,Huang等[14]合成3-D化合物Na4Cu32Sn12S48·4H2O和K11Cu32Sn12S48·4H2O;2016年,黄小荥等[15]合成出以质子化有机胺及碱金属同时平衡骨架结构的3-D化合物(enH)3Na[Sn3Se7]2·1.5Me2NH·1.5H2O(en=ethylenediamine)。过渡金属元素在元素周期表中占据d区,因其具有未填满的空轨道,使得该区的元素不仅可以和有机胺进行配位,同时也可以发生d-d跃迁,从而形成过渡金属元素与有机胺螯合配位的客体阳离子,以平衡阴离子[TMSnXQY]n-(TM=Fe, Ni, Co等;Q=S, Se, Te)骨架结构的化合物:2013年,黄小荥等[16]合成3-D化合物[Fe(phen)3]Hg2Sn2Se7·1.5eta·0.25H2O(phen=1, 10-Phenanthroline)和[Ni2(teta)2(μ-teta)]HgSn3Se9(teta=triethylenetetramine);2014年,Zhang等[17]合成3-D化合物{[M(NH3)6][Ag4M4 Sn3Se13]}n(M=Zn,Mn)等。
本文主要采用1, 4-丁二胺溶剂和1, 2-丙二胺(1, 2-dap)溶剂分别合成以碱金属Cs为客体阳离子的硒代锡酸盐Cs8Mn4Sn4Se16(1)和以过渡金属元素与有机胺配位为客体阳离子的硫代锡酸盐[Ni(1, 2-dap)3]2Cd2Sn2S8(2)。
1. 实验部分
1.1 试剂和仪器
碳酸铯(Cs2CO3)、硒粉(Se)购于国药集团化学试剂有限公司;硫粉(S)购于天津市化学试剂三厂;氯化锡(SnCl4·4H2O)、氯化锰(MnCl2·4H2O)购于天津市福晨化学试剂厂;氯化镍(NiCl2·6H2O)购于天津市巨星圣源化学试剂有限公司;碘化镉(CdI2)购于上海公私合营恒心化工社,以上试剂均为分析纯。1, 4-丁二胺(H2N(CH2)4NH2)(>98.0%)购于梯希爱(上海)化成工业发展有限公司;1, 2-丙二胺(CH2CH(NH2)CH2NH2)(99.0%)购于东京化成工业株式会社。
Rigaku Raxis-Rapid型X射线衍射仪(日本理学公司);Rigaku XRD-6000型X射线粉末衍射仪(日本岛津公司);Nicolet 6700型傅里叶红外光谱仪(美国Nicolet公司);UV-2550型双光束紫外-可见分光光度计(日本Shimadzu公司);STA 449 F5 Jupiter型同步分析仪(德国耐驰公司)。
1.2 实验方法
1.2.1 化合物1的合成
将0.0325 g Cs2CO3、0.0332 g SnCl4·4H2O、0.0197 g MnCl2·4H2O和0.0316 g Se粉依次放入厚壁玻璃管中,加入0.600 g 1, 4-丁二胺溶剂,混合均匀后封管,放入反应釜中(反应釜中添水约为60%作为导热介质),在180 ℃晶化7 d,产物分别用无水乙醇及蒸馏水洗涤,得到黄色条状晶体Cs8Mn4Sn4Se16。
1.2.2 化合物2的合成
0.0380 g SnCl4·4H2O、0.0364 g CdI2、0.0234 g NiCl2·6H2O、0.0132 g S粉;加入0.600 g 1, 2-丙二胺溶剂在同于化合物1的反应容器中180 ℃晶化7 d;产物用无水乙醇及蒸馏水洗涤,最终得到橘色块状晶体[Ni(1, 2-dap)3]2Cd2Sn2S8。
1.2.3 晶体结构的测定
Rigaku Raxis-Rapid X射线衍射仪(日本理学)对晶体进行结构分析,采用石墨单色器,Mo-Kα射线辐射(λ=0.071073 nm),并采用Bruker APEX-Ⅱ CCD单晶衍射仪收集衍射数据。所有数据经Lp因子及经验吸收校正。晶体结构采用直接法和Fourier合成法确定,全部非氢原子坐标及各向异性参数均采用全矩阵最小二乘法进行修正。所有结构计算工作用SHELXTL[18]程序完成。
化合物1(CCDS:431595)、2(CCDC:1558701)的晶体学数据列于表 1。
表 1
Compd 1 2 Empirical formula Cs8Mn4Sn4Se16 [Ni(1, 2-dap)3]2Cd2Sn2S8 Formula mass 3021.24 1220.38 T/K 296 296(2) λ/nm 0.071073 0.071073 Crystal system Orthorhombic Orthorhombic Space group Fddd Cmcm Absorption coefficient/mm-1 22.280 3.468 Data/restraints/parameters 587/21/0 1190/7/81 R1,wR2[I>2σ(I)] 0.0388/0.1093 0.0336/0.0986 a/nm 0.63988(4) 0.95143(3) b/nm 1.43918(7) 1.65633(6) c/nm 2.4771(2) 1.33259(5) Z 2 2 Dc/(mg·m-3) 4.398 1.930 Volume/nm3 2.28117 2.1000 F(000) 2567 1.045 F2 1.069 172.4(3) R1, wR2[all data] 0.0440/0.1142 0.0394/0.0986 2. 结果与讨论
2.1 晶体结构
2.1.1 化合物1的结构
化合物1为正交晶系,空间群为Fddd,a=0.63988(4) nm,b=1.43918(7) nm,c=2.4771(2) nm,且晶体1的部分键长键角列于表 2。化合物1的晶体结构与化合物(1, 4-dabH)2MnSnS4[19](1, 4-dab=1, 4-diaminobutane)、(1, 4-dabH)2MnSnSe4[20](1, 4-dab=1, 4-diaminobutane)和[Mn(dien)2]MnSnS4[21](dien=diethylenetriamine)结构相似。阴离子链状结构为1个Sn原子和1个Mn原子分别与4个Se原子配位构成一级结构单元SnSe4四面体和MnSe4四面体,四面体结构的SnSe4和MnSe4通过共边的形式交替连接形成包含有四元环[MnSnSe2]的二聚体阴离子[MnSnSe6]6-(图 1),相邻的二聚体阴离子通过桥基S原子连接形成一维的阴离子链[Mn4Sn4Se16]8-(图 2),其中Sn1—Se1的键长均为0.25126(7) nm,Mn1—Se1的键长均为0.25776(7) nm,Sn1—Se1—Mn1的键角为77.87(2)°,Se1—Sn1—Se1的键角为103.94(3)°~112.28(4)°,Se1—Mn1—Se1的键角为100.31(3)°~114.26(4)°,说明此四面体结构为变形四面体,且其键长键角值(表 2)与相关文献报道的相接近[19]。相邻的四元环[MnSnSe2]旋转呈90°。平衡阳离子Cs+填充在链与链之间(图 3)。
表 2
Sn(1)—Se(1)ⅰ 0.25126(7) Sn(1)—Se(1)ⅱ 0.25126(7) Mn(1)—Se(1)ⅰ 0.25776(7) Sn(1)—Se(1) 0.25126(7) Sn(1)—Se(1)ⅲ 0.25126(7) Mn(1)—Se(1)ⅵ 0.25776(7) Se(1)—Mn(1) 0.25776(7) Mn(1)—Se(1)ⅴ 0.25776(7) Se(1)i—Sn(1)—Se(1) 103.94(3) Se(1)i—Sn(1)—Se(1)ⅲ 112.28(4) Se(1)i—Sn(1)—Se(1)ⅱ 112.33(4) Se(1)—Sn(1)—Se(1)ⅱ 112.28(4) Se(1)ii—Sn(1)—Se(1)ⅲ 103.94(3) Se(1)—Mn(1)—Se(1)v 114.21(4) Se(1)v—Mn(1)—Se(1)ⅰ 114.26(4) Se(1)—Mn(1)—Se(1)vi 114.26(4) Se(1)v—Mn(1)—Se(1)ⅵ 100.32(3) Sn(1)—Se(1)—Mn(1) 77.87(2) Se(1)—Mn(1)—Se(1)ⅰ 100.31(3) Se(1)—Sn(1)—Se(1)ⅲ 112.33(4) Symmetry transformations used to generate equivalent atoms:ⅰ.-x, -y, z; ⅱ.x, -y, -z; ⅲ.0.25-x, 0.25-y; ⅴ.1+x, -y, -z; ⅵ.1.25-x, 0.25-y, 0.25-z. 图 1
图 2
图 3
2.1.2 化合物2的结构
化合物2为正交晶系,空间群为Cmcm,a=0.95143(3) nm,b=1.65633(6) nm,c=1.33259(5) nm,晶体2的部分键长键角列于表 3。化合物2由两部分构成,平衡阳离子[Ni(1, 2-dap)3]2+及1-D的阴离子链[Cd2Sn2S8]4-,其中阴离子链之间填充着平衡阳离子(图 4),扭曲八面体结构的阳离子[Ni(1, 2-dap)3]2+由3个双齿的1, 2丙二胺分子中的6个N原子与Ni2+离子配位而成,这种阳离子的构型十分常见,如化合物[Ni(dap)3]2Sn2S6·2H2O[22]、[Mn(1, 2-dap)3(H2O)]2(μ-Sn2Q6)(Q=S, Se)[23]等。从表 3中发现,[Ni(1, 2-dap)3]2+的Ni—N1、Ni—N2、Ni—N3的键长分别0.2132(7)、0.2111(7)和0.2161(8) nm,与相关文献[22-23]报的键长基本一致。在阴离子结构中,Cd4+与Sn4+离子分别与4个S原子配位形成具有四面体结构的[CdS4]、[SnS4]一级结构单元,[CdS4]或[SnS4]通过桥基S原子连接形成含有四元环的一维链状阴离子[Cd2Sn2S8]4-,相邻的[CdSnS2]环旋转呈90°(图 5),从图 5中我们可以看到一个有趣的现象是Cd原子可以取代Sn原子存在于骨架中,类似的此种现象在以往的溶剂热合成过程中也出现过。如:朱阳春合成的锗锌酸盐中,化合物中Zn2+以n(Zn):n(Ge)=1:6.3随机取代Ge4+离子存在于骨架中[24]。而导致此种现象的原因是Cd原子与Sn原子的半径非常接近,使得过渡金属元素在溶剂热反应过程中可以取代Sn原子形成共原子现象[25]。
表 3
Cd1—S2 0.2455(2) Ni1—N2 0.2111(7) C1—C1 0.124(3) Cd1—S1 0.24756(15) Ni1—N1 0.2132(7) C3—C4 0.1495(19) Cd1—S3 0.24844(17) Ni1—N3 0.2161(8) C3—C5 0.1534(18) S2—Sn1 0.2455(2) N3—C3 0.1550(13) C1—C2 0.1442(18) S3—Sn1 0.24844(17) N2—C4 0.1614(14) N1—C1 0.1462(15) S2—Cd1—S1 117.18(3) S1—Cd1—S3 116.80(3) Cd1—S3—Sn1 85.34(7) S1—Cd1—S1 96.55(6) Cd1—S1—Sn1 83.45(6) Sn1—S3—Cd1 0.000(13) S2—Cd1—S3 94.01(6) Sn1—S2—Cd1 86.63(9) Sn1—S2—Cd1) 0.000(19) Sn1—S1—Cd1 0.00(2) N2—Ni1—N2 96.1(4) N2—Ni1—N1 172.4(3) N2—Ni1—N1 91.5(3) N1—Ni1—N1 80.8(4) N2—Ni1—N3 87.64(14) N1—Ni1—N3 92.69(16) C5—C3—N3 113.6(10) C3—N3—Ni1 103.4(5) C4—N2—Ni1 102.5(6) C3—C4—N2 113.9(11) C4—C3—N3 106.8(9) C1—N1—Ni1 108.1(7) C1—C1—N1 121.5(6) N1—C1—C2 125.9(16) 图 4
图 5
2.2 粉末X射线衍射分析
对化合物1、2进行粉末X衍射衍射分析,图 6分别为化合物1、2的粉末衍射图谱,单晶结构模拟计算出的XRD粉末衍射数据与实际结果基本一致。由此判断合成的化合物为纯相。
图 6
2.3 固体紫外-可见漫反射分析
对化合物1、2进行固体紫外可见漫反射光谱分析由Kubelka-Munk[26]函数对UV-Vis光谱进行数据转换,并采用Kubelka-Munk函数对入射光子能量(E)作图(图 7、图 8),从图中估算出化合物1、2的禁带宽度分别为1.70和2.21 eV。
图 7
图 8
2.4 TG-DSC测试
在室温到800 ℃范围内N2气气氛环境下对化合物1粉末进行热稳定性能测试,由DSC曲线(图 9)可得,化合物在497~665 ℃开始出现很小的吸热峰;676~800 ℃出现明显的吸热峰,两次吸热峰可能是因为在该温度下样品发生塌陷形成无定型物质的过程[31]。
图 9
对化合物2进行TG-DSC测试,图 10为样品在室温至800 ℃焙烧N2气保护环境下得到的TG-DSC曲线图,从图中可以观察到样品在加热过程中存在3个阶段的失重,并在失重过程中伴随有吸热峰。第一阶段为192.95~348.89 ℃之间有29.514%的失重率(理论值为28.90%),此时失去5分子的1, 2-丙二胺;第二阶段为468.06~656.85 ℃之间有5.231%的失重率(理论值为5.78%),此时失去1分子的1, 2-丙二胺;最后一阶段的失重可能为样品结构在该温度下塌陷形成无定型物质过程[27]。
图 10
3. 结论
本文采用溶剂热法以1, 4-丁二胺和1, 2-丙二胺溶剂分别合成出以碱金属Cs做客体阳离子的一维链状的硒代锡酸盐Cs8Mn4Sn4Se16及以过渡金属元素Ni与有机胺配位充当客体阳离子的一维链状的硫代硒酸盐[Ni(1, 2-dap)3]2Cd2Sn2S8。且一维的阴离子骨架结构均由SnQ4(Q=S, Se)四面体与TMQ4(TM=Mn, Cd)四面体共边而成。可见采用不同的结构导向剂,利用溶剂热法均可以合成含有不同过渡金属元素的硫属锡酸盐阴离子链。这对于探究结构导向剂对阴离子骨架结构中包含不同的过渡金属元素的硫属锡酸盐合成具有指导意义。同时,两种化合物的禁带宽度分别为1.70和2.21 eV,具有半导体性能。
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表 1 化合物1、2的晶体学数据参数
Table 1. Crystal data and structure refinement parameters for compounds 1 and 2
Compd 1 2 Empirical formula Cs8Mn4Sn4Se16 [Ni(1, 2-dap)3]2Cd2Sn2S8 Formula mass 3021.24 1220.38 T/K 296 296(2) λ/nm 0.071073 0.071073 Crystal system Orthorhombic Orthorhombic Space group Fddd Cmcm Absorption coefficient/mm-1 22.280 3.468 Data/restraints/parameters 587/21/0 1190/7/81 R1,wR2[I>2σ(I)] 0.0388/0.1093 0.0336/0.0986 a/nm 0.63988(4) 0.95143(3) b/nm 1.43918(7) 1.65633(6) c/nm 2.4771(2) 1.33259(5) Z 2 2 Dc/(mg·m-3) 4.398 1.930 Volume/nm3 2.28117 2.1000 F(000) 2567 1.045 F2 1.069 172.4(3) R1, wR2[all data] 0.0440/0.1142 0.0394/0.0986 表 2 化合物1的部分键长(nm)和键角(°)
Table 2. Selected bond lengths(nm) and angles(°) for compound 1
Sn(1)—Se(1)ⅰ 0.25126(7) Sn(1)—Se(1)ⅱ 0.25126(7) Mn(1)—Se(1)ⅰ 0.25776(7) Sn(1)—Se(1) 0.25126(7) Sn(1)—Se(1)ⅲ 0.25126(7) Mn(1)—Se(1)ⅵ 0.25776(7) Se(1)—Mn(1) 0.25776(7) Mn(1)—Se(1)ⅴ 0.25776(7) Se(1)i—Sn(1)—Se(1) 103.94(3) Se(1)i—Sn(1)—Se(1)ⅲ 112.28(4) Se(1)i—Sn(1)—Se(1)ⅱ 112.33(4) Se(1)—Sn(1)—Se(1)ⅱ 112.28(4) Se(1)ii—Sn(1)—Se(1)ⅲ 103.94(3) Se(1)—Mn(1)—Se(1)v 114.21(4) Se(1)v—Mn(1)—Se(1)ⅰ 114.26(4) Se(1)—Mn(1)—Se(1)vi 114.26(4) Se(1)v—Mn(1)—Se(1)ⅵ 100.32(3) Sn(1)—Se(1)—Mn(1) 77.87(2) Se(1)—Mn(1)—Se(1)ⅰ 100.31(3) Se(1)—Sn(1)—Se(1)ⅲ 112.33(4) Symmetry transformations used to generate equivalent atoms:ⅰ.-x, -y, z; ⅱ.x, -y, -z; ⅲ.0.25-x, 0.25-y; ⅴ.1+x, -y, -z; ⅵ.1.25-x, 0.25-y, 0.25-z. 表 3 化合物2的部分键长(nm)和键角(°)
Table 3. Selected bond lengths(nm) and angles(°) for compound 2
Cd1—S2 0.2455(2) Ni1—N2 0.2111(7) C1—C1 0.124(3) Cd1—S1 0.24756(15) Ni1—N1 0.2132(7) C3—C4 0.1495(19) Cd1—S3 0.24844(17) Ni1—N3 0.2161(8) C3—C5 0.1534(18) S2—Sn1 0.2455(2) N3—C3 0.1550(13) C1—C2 0.1442(18) S3—Sn1 0.24844(17) N2—C4 0.1614(14) N1—C1 0.1462(15) S2—Cd1—S1 117.18(3) S1—Cd1—S3 116.80(3) Cd1—S3—Sn1 85.34(7) S1—Cd1—S1 96.55(6) Cd1—S1—Sn1 83.45(6) Sn1—S3—Cd1 0.000(13) S2—Cd1—S3 94.01(6) Sn1—S2—Cd1 86.63(9) Sn1—S2—Cd1) 0.000(19) Sn1—S1—Cd1 0.00(2) N2—Ni1—N2 96.1(4) N2—Ni1—N1 172.4(3) N2—Ni1—N1 91.5(3) N1—Ni1—N1 80.8(4) N2—Ni1—N3 87.64(14) N1—Ni1—N3 92.69(16) C5—C3—N3 113.6(10) C3—N3—Ni1 103.4(5) C4—N2—Ni1 102.5(6) C3—C4—N2 113.9(11) C4—C3—N3 106.8(9) C1—N1—Ni1 108.1(7) C1—C1—N1 121.5(6) N1—C1—C2 125.9(16) -
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