Multifunctional Two-Dimensional Metal–Organic Frameworks for Radionuclide Sequestration and Detection

铀酰 镧系元素 金属有机骨架 水溶液 发光 配体(生物化学) 化学 荧光 金属 结晶学 吸附 材料科学 物理化学 有机化学 受体 冶金 离子 物理 量子力学 生物化学 光电子学
作者
Robert G. Surbella,Dallas D. Reilly,Michael A. Sinnwell,Bruce K. McNamara,Lucas E. Sweet,Jon M. Schwantes,Praveen K. Thallapally
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (38): 45696-45707 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acsami.1c11018
摘要

Two lanthanide-containing porous coordination polymers, [Ln2(bpdc)6(phen)2]·nH2O (1) and [Ln2(bpdc)6(terpy)2]·3H2O (2) (Ln = Pr, Nd, or Sm–Dy; bpdc: 2,2′-bipyridine-5,5′-dicarboxylic acid; phen: 1,10-phenanthroline; and terpy: 2,2′:6′,2″-terpyridine), have been hydrothermally synthesized and structurally characterized by powder and single-crystal X-ray diffraction. Crystallographic analyses reveal that compounds 1 and 2 feature Ln3+-containing dimeric nodes that form a porous two-dimensional (2D) and nonporous three-dimensional (3D) framework, respectively. Each material is stable in aqueous media between pH 3 and 10 and exhibits modest thermal stability up to ∼400 °C. Notably, a portion of the phen and bpdc ligands in 1 can be removed thermally, without compromising the crystal structure, causing the surface area and pore volume to increase. The optical properties of 1 and 2 with Gd3+, Sm3+, Tb3+, and Eu3+ are explored in the solid state using absorbance, fluorescence, and lifetime spectroscopies. The analyses reveal a complex blend of metal and ligand emission in the materials containing Sm3+ and Tb3+, while those featuring Eu3+ are dominated by intense metal-based emission. Compound 1 with Eu3+ shows promise for the capture and detection of the uranyl cation (UO2)2+ from aqueous media. In short, uranyl capture is observed at pH 4, and the adsorption thereof is detectable via vibrational and fluorescence spectroscopies and colorimetrically as the off-white color of 1 turns yellow with uptake. Finally, both 1 and 2 with Eu3+ produce bright red emission upon irradiation with Cu Kα X-ray radiation (8.04 keV) and are candidate materials for applications in solid-state scintillation.

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