Structure Transformation of a Luminescent Pillared-Layer Metal

Publication Date (Web): July 6, 2018. Copyright © 2018 ... With ~10% of the coordination bonds breaking within the framework, FDM-22 provides a high ...
1 downloads 0 Views 7MB Size
Subscriber access provided by University | of Minnesota Libraries

Article

Structure Transformation of a Luminescent Pillared-Layer Metal -Organic Framework Caused by Point Defects Accumulation Yi Qi, Huoshu Xu, Xiaomin Li, Binbin Tu, Qingqing Pang, Xiao Lin, Erlong Ning, and Qiaowei Li Chem. Mater., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b02511 • Publication Date (Web): 06 Jul 2018 Downloaded from http://pubs.acs.org on July 8, 2018

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Chemistry of Materials

Structure Transformation of a Luminescent Pillared-Layer Metal−Organic Framework Caused by Point Defects Accumulation Yi Qi, Huoshu Xu, Xiaomin Li, Binbin Tu, Qingqing Pang, Xiao Lin, Erlong Ning, Qiaowei Li*  Department of Chemistry, iChEM (Collaborative Innovation Center of Chemistry for Energy Materials), and Shang‐ hai Key Laboratory of Molecular Catalysis and Innovative Materials, Fudan University, Shanghai 200433, P. R. China    ABSTRACT: Pillared‐layer metal–organic frameworks (MOFs) are often encountered to “collapse” upon external stimuli  due to weak interactions between the layers and the pillars. However, the detailed local structural change, especially the  accumulation of defects due to intricately disordered bond dissociations, is not clear, due to the complicate and dynamic  nature of the collapse. We report a luminescent pillared‐layer MOF structure, FDM‐22, using zinc dicarboxylates as layers  and dipyridyl ligands as pillars, in which three different transformed structures were captured along the increasing num‐ ber of coordination bond dissociations between zinc metals and pyridine linkers. The transformation is triggered by these  local  point  defect  formations  in  the  MOF,  which  further  contribute  to  the  modulation  of  its  luminescence  property,  as  well as prominent change in the morphology and pore distribution of the MOF. Evidenced by Raman spectroscopy, X‐ray  photoelectron  spectroscopy  (XPS),  and  X‐ray  absorption  spectroscopy  (XAS),  each  of  the  pillar  ligands  has  only  one  pyridyl  group  coordinated  to  a  Zn(II)  ion  eventually,  with  the  other  uncoordinated  pyridyl  group  pointing  to  the  pore.  With  ~10%  of  the  coordination  bonds  breaking  within  the  framework,  FDM‐22  provides  a  high  concentration  of  active  metal sites in the framework. 

INTRODUCTION Metal–organic  frameworks  (MOFs)1‐5,  in  which  exten‐ sive  diversity  of  structure  design  can  be  achieved,  have  attracted  intensive  attention  due  to  their  applications  in  gas  storage6,  separation7,8,  and  catalysis9.  In  typical  pil‐ lared‐layer  MOF  structures10‐16,  strong  coordinating  groups such as carboxylates connect with metals to build  layers, and ligands with weak coordinating N atoms act as  pillars.  This  feature  allows  anisotropic  functionalization  of MOFs by systematic modulations on the two ligands  17‐ 20 ,  as  well  as  directional  and  flexible  responses21‐25  to  ex‐ ternal stimuli. On the other hand, MOFs with long pillars  tend  to  deform  or  “collapse”  during  desolvation,  as  indi‐ cated by much lower surface areas compared to their the‐ oretical  values  based  on  the  single  crystal  structures26.  Initiation  of  the  collapse  was  frequently  described  as  the  coordination  bond  dissociation  between  the  metal  and  the pillar27; however, in‐depth studies on the detailed lo‐ cal  structure  change  upon  framework  activation  are  scarce  in  the  literatures14,  because  these  pillared‐layer  networks tend to lose single crystallinity and transform to  unidentified  phases.  What  is  more,  in  a  broader  context  of considering these breaking points as defects (or active  sites) in crystals, these collapsed MOFs provide opportu‐ nities  in  comprehending  defect  chemistry  of  MOFs  for  better designing active sites and exploring these MOFs for  catalysis.    Herein, an interpenetrated pillared‐layer MOF, named  FDM‐22, was constructed with zinc dicarboxylates as 

Figure 1. Illustration of structure transformation of a pillared‐ layer  MOF.  The  pristine  network  (a)  contracts  with  the  pillars  tilting  (b),  then  point  defects  due  to  joint  breakage  can  be  observed  (c).  The  complete  structure  transformation  ends with maximum number of defects achieved (d).  layers  and  luminescent  pyridine  ligands  as  pillars.  Structure  transformation of this MOF could be achieved  by regulating 

the  weak  pillars’  variable  coordinations,  and  we  applied  three  different  desolvation  methods  to  capture  three  different stages along the transformation (Figure 1). Upon  mild  solvent  removal  process,  the  pristine  network  (Figure  1a)  starts  to  contract  due  to  the  tilting  of  the  pillars  (Figure  1b),  and  as  the  pillar  tilting  accumulates,  noticeable structure transformation due to zinc–nitrogen  bond dissociation was observed (Figure 1c). The dynamic  transformation  has  red  shifted  the  luminescence  of  

ACS Paragon Plus Environment

Chemistry of Materials 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Figure  2.  BPDC  and  BP4VA  ligands,  and  the  single  crystal  structure  of  interpenetrated  FDM‐22,  with  two  frameworks  in  ball‐and‐stick  and  space‐filling  drawings,  respectively.  In  the  ball‐and‐stick  drawing:  C,  blue;  N,  orange;  O,  red;  Zn,  yellow. H atoms are omitted for clarity. 

Figure  3.  (a)  PXRD  of  FDM‐22,  FDM‐22S,  FDM‐22A,  and  FDM‐22V,  along  with  the  simulated  pattern  of  FDM‐22.  (b)  Luminescence  spectra  of  BP4VA,  FDM‐22,  FDM‐22S,  FDM‐ 22A, and FDM‐22V. (c−e) SEM images of FDM‐22S, FDM‐22A,  and FDM‐22V, respectively. 

FDM‐22  significantly.  Interestingly,  this  transformation  was  accompanied  by  the  crystal  morphology  transition  from  intact  to  distorted  and  creviced,  as  well  as  the  for‐ mation of more mesopores. The point defects in the crys‐ tals associated with the zinc–nitrogen bond breaking were  clearly  evident  in  specific  vibrational  peaks  intensity  in‐ crease in Raman spectra. In addition, when severe activa‐ tion  method  was  applied,  the  directional  arrangement  of  weakly  coordinating  pillars  has  produced  single  crystals  with four wavy facets and two relatively undisturbed fac‐ ets  (Figure  1d),  corresponding  to  high  concentration  of  point  defects on  the  pillar–layer  joints.  The  obtained  po‐ rous  MOF  structure  has  coordination  bond  dissociations  happening at either end for all the pillars, as indicated by  the  1:1  ratio  of  5‐coordinated  Zn(II)  vs.  4‐coordinated  Zn(II),  evidenced  by  X‐ray  photoelectron  spectroscopy  and X‐ray absorption spectroscopy. Overall, with ~10% of  the coordination bonds breaking in FDM‐22, it provides a  rational design of accessible active sites with high concen‐ tration. 

RESULTS AND DISCUSSION

Page 2 of 8

Solvothermal  reaction  of  Zn(NO3)2∙6H2O,  BPDC,  and  BP4VA28  [BPDC  =  1,1'‐biphenyl‐4,4'‐dicarboxylic  acid,  BP4VA  =  9,10‐bis((E)‐2‐(pyridine‐4‐yl)vinyl)anthracene]  affords  FDM‐22  [Zn2(BPDC)2(BP4VA)].  Single  crystal  X‐ ray diffraction (SXRD) reveals that FDM‐22 crystallizes in  monoclinic  C2/m  space  group,  and  Zn‐based  secondary  building units (SBUs)1 in paddle‐wheel geometry connect  with  BPDC  to  construct  square  grids.  The  grids  are  fur‐ therly linked together using BP4VA as pillars, forming the  pillared‐layer  MOF  structure  (Figure  2  and  Table  S1,  See  the  Supporting  Information  (SI)).  The  square  grids  have  an  edge  length  of  15.2  Å,  and  the  layers  are  separated  by  22.9 Å each other by the slender BP4VA. It is not surpris‐ ing that FDM‐22 is doubly interpenetrated, with the SBUs  from  the  second  framework  sit  in  the  body  center  of  the  first framework. This two‐fold interpenetration has placed  the positionally disordered anthracene moieties in BP4VA  exactly  within  the  layers  of  [Zn2(BPDC)4]∞.  Despite  the  interpenetration, FDM‐22 still contains ~3285 Å3 per unit  cell  accessible  void  space  (62.1%  of  the  unit  cell)  with  open channels of ~7.1 × 5.1 Å along the a‐axis.  With  a  distance  of  15.9  Å  between  the  two  N  atoms,  BP4VA presents one of the longest pillar ligands ever used  in  pillared‐layer  MOF  construction29,30.  In  addition,  the  vinylene  groups  provide  more  flexibility  in  the  confor‐ mations  of  BP4VA.  We  would  like  to  emphasize  that  these  factors  have  made  the  synthesis  of  single  crystals  with  high  quality  a  challenge.  Even  with  better  crystals  obtained from sophisticated stepwise heating (See the SI),  the  SXRD  showed  severe  diffraction  spots  overlapping  indicating multi‐domains (Figure S1). Indeed, under high‐ resolution  optical  microscope,  clear  intersecting  lines  along the crystal surfaces were observed in all the pristine  crystals  examined,  indicating  grain  boundaries  between  multiple  domains  inside  FDM‐22  crystals  (Figure  S2).  Nevertheless, a definite crystal structure with satisfactory  refinement was achieved.  In  order  to  systematically  study  the  structure  transfor‐ mation  of  the  pillared‐layer  MOF  upon  activation,  we  applied three different solvent removal methods on FDM‐ 22 after they were solvent exchanged with acetone: Super‐ critical CO2 drying (FDM‐22S), acetone evaporation in the  Ambient  air  (FDM‐22A),  and  dynamic  Vacuum  at  115  °C  (FDM‐22V) (See the SI). All three guest‐free samples show  different  powder  X‐ray  diffraction  (PXRD)  patterns  com‐ pared  to  that  of  the  as‐synthesized  FDM‐22  (Phase  I),  indicating  structure  change  upon  solvent  removal  (Fig‐ ures 3a and S3). Specifically, FDM‐22S and FDM‐22A have  resulted  the  same  PXRD  pattern,  suggesting  the  same  newly  transformed  structure  (Phase  II).  We  used  in  situ  XRD to understand how fast the structure transformation  from  FDM‐22  to  FDM‐22A  happens.  As  shown  in  Figure  S4, two strong peaks corresponding to the (001) and (22ī)  crystal  planes  of  FDM‐22  disappear  within  the  first  20  minutes, while two new prominent peaks from FDM‐22A  rise  gradually  along  the  exposure  time.  Interestingly,  the  phase  transformation  also  accompanies  with  the  crystal  color change from yellow to orange (Figure S8), which we  will  discuss  later.  Moreover,  dynamic  vacuum  with 

ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Chemistry of Materials

Figure 4. (a) Pore size distributions and 77 K low‐pressure N2 adsorption isotherms (inset) of FDM‐22S and FDM‐22V. (b) Raman  spectra of BPDC, BP4VA, FDM‐22, FDM‐22S, FDM‐22A, and FDM‐22V. The peaks in blue bands correspond to the vibrations of  the pyridyl and vinylene groups in the pillars. (c) XPS spectra of FDM‐22S, FDM‐22A, and FDM‐22V. (d−f) Crystal structure of  pristine FDM‐22, and artistic illustrations of FDM‐22 with limited Zn–N bond dissociations and FDM‐22 with half Zn–N bond  dissociations. 

heating,  has  given  rise  to  another  completely  new  struc‐ ture FDM‐22V (Phase III). For all three activated samples,  their phases remain unchanged after dry heating for 2days  at  100  °C  (Figure  S5‐S7);  while  in  the  presence  of  N,N‐ dimethylacetamide  (DMA)  solvent  (with  or  without  BP4VA),  Phase  III  could  transform  back  to  Phase  II  after  heating.  Unfortunately,  the  qualities  of  all  the  three  guest‐free samples were not satisfactory for SXRD analysis  due  to  the  peak  broadening.  This  commonly  observed  feature26,29‐31 makes our attempts to index unit cell param‐ eters using PXRD data not successful.   Benefiting  from  the  luminescent  BP4VA,  tracking  the  MOF’s  luminescence  change  during  structure  transfor‐ mation  could  be  an  effective  and  sensitive  probe  to  look  into  the  local  environment  around  the  pillars.  BP4VA  shows an emission peak at 516 nm under excitation of 365  nm light28, and when it is employed as the pillars in FDM‐ 22, the light yellow crystals show an emission peak at 544  nm (Figure 3b). This red shift of 28 nm could be explained  by the formation of a larger conjugated π‐electron system  with  extended  delocalization  environment  after  pyridyl  groups  in  BP4VA  coordinating  with  Zn32.  After  activated  with supercritical CO2, FDM‐22S has the emission peak at  557 nm, a 13 nm wavelength red shift compared to FDM‐ 22. What is more, the emission peaks of orange FDM‐22A  and  FDM‐22V  crystals  shift  further  to  larger  wavelength,  reaching 585 and 597 nm, respectively. In addition, simi‐ lar  red  shift  trend  can  also  be  observed  for  the  samples  suspended in acetone (Figure S9). The luminescence shift  indicates  the  electronic  structure  change  of  the  BP4VA  pillars.  For  example,  adjusting  the  distance  between  two  π‐systems changes the π–π interaction, and thus shifts the 

luminescence of the solids. Upon activation, it is very pos‐ sible  for  the  two  interpenetrated  nets  to  move  relatively,  and  thus  to  shorten  the  distance  between  BP4VA  from  one net and BPDC from the other net. More importantly,  the  pillared‐layer  nature  of  FDM‐22  allows  the  laterally  slide of the layers and vertically tilt of the pillars21,33, which  cause  the  PXRD  change  and  impact  the  interaction  be‐ tween BP4VA and BPDC more significantly.  However,  the  FDM‐22S  and  FDM‐22A  with  the  same  XRD pattern (Phase II) show different luminescence, sug‐ gesting  that  additional  contribution  besides  identical  phase  transition  must  be  taken  into  account.  Under  cer‐ tain severe solvent removal process, the moderate metal‐ pyridine  coordination  bonds  are  more  inclined  to  be  af‐ fected34,35.  Therefore,  beyond  the  pre‐existing  grain  boundaries,  more  point  defects  may  be  created  in  FDM‐ 22A  as  a  result  of  the  Zn–N  coordination  dissociations  between  the  pillars  and  layers  compared  to  FDM‐22S,  which  allow  more  dangling  pillars  to  move  with  some  degree of freedom and to form closer π–π interaction with  surrounding ligands, thus luminescence red shift was ob‐ served. In the case of FDM‐22V, following the more severe  dynamic  vacuum  with  heating,  more  dissociation  reac‐ tions result in higher concentration of local point defects,  which surpasses the critical concentration of point defects  that triggered the transition from Phase II to III. In other  words, the state of FDM‐22A may be the snapshot before  the  second  phase‐transition  threshold  is  met,  in  which  significant amount of point defects due to bond dissocia‐ tions have changed the luminescence remarkably, but still  not  enough  to  make  the  long‐range  structure  change  happen in the crystals. 

ACS Paragon Plus Environment

Chemistry of Materials 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 4 of 8

Figure 5. (a) Structure of FDM‐22V. (b) Structure of MOF‐508b33. (c) XANES of FDM‐22V and MOF‐508b. (d) EXAFS of FDM‐ 22V and MOF‐508b.  

PXRD and luminescence spectroscopy support our pro‐ posal on the macroscopic structure transformation caused  by microscopic point defects due to bond dissociations in  FDM‐22.  In  addition,  scanning  electronic  microscopy  (SEM) could provide more direct information on the crys‐ tal morphology change upon activation. The SEM images  of FDM‐22S show the intact cubic crystals with only a few  straight  lines  on  the  surface  after  the  supercritical  CO2  drying (Figure 3c). Notably, the lines may be attributed to  the pre‐existing grain boundaries in FDM‐22 crystals. In‐ terestingly,  many  parallel  crevices  with  0.3–1.0  μm  in  width were observed on four facets of each FDM‐22A cu‐ bic crystals (Figure 3d), while the other two parallel facets  of the crystals remain intact and smooth. Considering the  robustness difference between the layers and pillars in the  pillared‐layer MOF, it is natural to assign the intact facets  as  ab‐plane  of  the  crystals,  where  the  [Zn2(BPDC)4]∞  lay‐ ers  base;  and  the  straight  crevices  are  perpendicular  to  the  direction  of  the  BP4VA  pillars.  This  observation  un‐ veils  that  specific  MOF  structure  change  on  the  layer– pillar joints is obvious from SEM, despite the same PXRD  for  FDM‐22S  and  FDM‐22A.  Furthermore,  for  the  FDM‐ 22V  crystals,  on  top  of  the  crevices  similar  with  that  in  FDM‐22A,  we observed  significant  distortion  and  shrink‐ age of the crystals (Figure 3e). Specifically, the four facets  with  curved  crevices  show  wavy  textures,  while  the  two  facets  corresponding  to  ab  planes  are  less  distorted  (Fig‐ ure  S10).  This  previously  unseen  phenomenon  further  suggests  that  the  structure  change  is  mainly  due  to  the  pyridyl  containing  pillar  ligands  rather  than  the  carbox‐ ylate‐based  ligands.  Overall,  the  degree  of  crystal  mor‐ phology change increases along with the activation condi‐ tion  switched  from  mild  supercritical  CO2  drying  to  air  drying  to  harsh  dynamic  vacuum  with  heating,  in  the  same trend with the luminescence red shift.  To  evaluate  the  porosity  of  FDM‐22  after  structure  transformation,  N2  adsorption  isotherms  at  77  K  were  measured  on  FDM‐22S  and  FDM‐22V.  Due  to  the  ran‐ domly distributed defects introduced upon activation, we  found  the  surface  areas  were  variable  among  more  than  five parallel samples for both MOFs (Figures S11 and S12).  Nevertheless,  distinct  isotherm  characteristics  could  be  observed  for  these  two  sets  of  samples.  Two  representa‐ tive adsorption isotherms are shown in Figure 4a, and the 

Brunauer–Emmett–Teller (BET) surface areas of FDM‐22S  and  FDM‐22V  are  calculated  to  be  135  and  112  m2  g‐1,  re‐ spectively.  Despite  similar  profiles  at  P/P0