Luminescence in Visible Region by Effective Charge Transfer Mechanism in Samarium (III) Coordination Polymer

Abstract

In this study, novel samarium lanthanide metal-organic frameworks (Sm-MOFs) containing 2-sulfoterefitalic acid (2-stp) ligands {[Sm(2-stp).3(H2O)].(H2O)} were synthesised by using the environmentally friendly hydrothermal method. The crystal structure and visible region luminescence characteristics of the obtained structures were used to investigate the energy transfer processes from 2-stp ligand to Sm (III) ions. Novel lanthanide MOFs (Ln-MOFs) synthesised with organic ligands acting as bridges and lanthanide ions with characteristic coordination ability, such as Sm-MOFs, are of increasing interest due to their good luminescence and magnetic properties and tunable porous structures. Fourier Transfer Infrared Spectroscopy and XRD crystal structure analyses of the single crystal structures of the synthesised Sm-MOFs were performed. Data were obtained with OLEX, Mercury, SHELX programmes. In addition, the Sm-MOF structure was excited in the UV region with a 349 nm laser in the solid state, characteristic luminescence analyses of the Sm(III) metal in the visible region were performed, and then the absorption spectra of the 2-stp ligand and the excitation spectra of SM-MOF were obtained in the visible region. The observation of sharp peaks due to the dominant characteristic emission of Sm(III) despite the emission of the 2-stp ligand, the overlap between the absorption spectra of the 2-stp free ligand and the excitation spectra of the Sm-MOF complex and the strong luminescence ability of Sm(III) ions clearly showed an effective energy transfer from the 2-stp ligand to the Sm-MOF complex and the antenna effect of the ligand.

Keywords

• Lanthanide-MOF
• Samarium
• Sm-MOF
• Hydrothermal
• Luminescence
• Antenna Effect

Samaryum (III) Koordinasyon Polimerinin Etkin Yük Transfer Mekanizmasıyla Görünür Bölge Lüminesansının İncelenmesi

Öz

Bu çalışmada; çevre dostu olan hidrotermal yöntem kullanılarak 2-sulfoterefitalik asit (2-stp) ligand içeren yeni samaryum lantanit metal-organik çerçeve (Sm-MOF) sentezlenmiş {[Sm(2-stp).3(H2O)].(H2O)}, elde edilen yapıların kristal yapısı ile görünür bölge lüminesans karakteristiklerinin kullanıldığı, 2-stp liganddan Sm (III) iyonlarına enerji aktarım süreçleri araştırılmıştır. Köprü görevi gören organik ligandlar ve karakteristik koordinasyon yeteneğine sahip lantanit iyonlarıyla sentezlenen, Sm-MOF gibi gözenekli yapıdaki yeni lantanit MOF'lar (Ln-MOF); iyi lüminesans ve manyetik özellikleri, ayarlanabilir gözenekli yapıları sayesinde artan bir ilgiye sahiptir. Sentezlenen Sm-MOF'ların tek kristal yapılarının Fourier Transfer İnfrared Spektroskopisi ve XRD kristal yapı analizleri yapılmıştır. OLEX, Mercury, SHELX programlarıyla veriler elde edilmiştir. Ayrıca Sm-MOF yapı katı halde, 349 nm lazer ile UV bölgede uyarılmış, yapıdaki Sm(III) metalinin görünür bölgede yaydığı karakteristik lüminesans analizleri yapılmış, ardından 2-stp ligandın soğurma ile SM-MOF'un uyarma spektrumları, görünür bölgede elde edilmiştir. 2-stp ligandın emisyonuna rağmen Sm(III)'ün baskın karakteristik emisyonuna bağlı keskin piklerin gözlemlenmesi, 2-stp serbest ligandın absorpsiyon spektrumları ile Sm-MOF kompleksinin uyarma spektrumları arasındaki örtüşme ve Sm(III) iyonlarının güçlü lüminesans yeteneği, 2-stp liganddan Sm-MOF kompleksine etkili bir enerji transferini ve ligandın anten etkisini açıkça göstermiştir.

Anahtar Kelimeler

• Lantanit-MOF
• Samaryum
• Sm-MOF
• Hidrotermal
• Lüminesans
• Anten Etkisi

Kaynakça

1. Acar Y., Coban MB., Gungor E., Kara H. Two new NIR luminescencent Er(III) coordination polymers with potential application optical amplification devices. Journal of Cluster Science 2020; 31: 117-124.
2. Chen B., Qian G. Metal-organic frameworks for photonics applications. Springer 2014; 157: 1-26.
3. Coban MB. Synthesis and photophysical properties of new Eu(III) complex. BAUN Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 2017; 19(3): 7-15.
4. Coban MB., Acar Y., Gungor E., Kuru Alpaslan F., Kara Subasat H. Eu@PMMA and Sm@PMMA nanofibers prepared by electrospinning: structural, morphology, photoluminescence and magnetic properties. CrystEngComm 2020; 22: 6116-6127.
5. Dang S., Min X., Yang W., Yi FY., You H., Sun ZM. Lanthanide metal-organic frameworks showing luminescence in the visible and near-infrared regions with potential for acetone sensing. Chemistry A European Journal 2013; 19(50): 17172-17179.
6. Dolomanov OV., Bourhis LJ., Gildea RJ., Howard JAK., Puschmann H. OLEX2: A complete structure solution, refinement and analysis program. Journal of Applied Crystallography 2009; 42(2): 339–341.
7. Fordham S., Wang X., Bosch M., Zhou HC. Lanthanide metal-organic frameworks: syntheses, properties, and potential applications. In: Cheng, P. (ed.) Structure and Bonding. Springer 2014; 163: 1-27.
8. Güzel U. Samaryum (III) koordinasyon polimerinin etkin yük transfer mekanizmasıyla görünür bölge ve yakın kızıl ötesi lüminesansı. Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, sayfa no: 73, Muğla, Türkiye, 2019.

9. Kara H., Oylumluoglu G., Coban MB. Photoluminescence properties of a new Sm(III) complex/PMMA electrospun composite fibers. Journal of Cluster Science 2020; 31: 701-708.
10. Lucky MV., Sivakumar S., Reddy MLP., Paul AK., Natarajan S. Lanthanide luminescent coordination polymer constructed from unsymmetrical dinuclear building blocks based on 4-((1H-benzo[d]imidazol-1-yl)methyl)benzoic acid. Crystal Growth & Design 2011; 11(3): 857-864.
11. Madkhali O., Kaynar ÜH., Alajlani Y., Coban MB., Garcia Guinea J., Ayvacikli M., Pierson, JF., Can N. Structural and temperature dependence luminescence characteristics of RE (RE=〖Eu〗^(3+), 〖Dy〗^(3+), 〖Sm〗^(3+) and 〖Tb〗^(3+)) in the new gadolinium aluminate borate phosphor. Ceramics International 2023; 49(12): 19982-19995.
12. Mukhtar Sirati M., Sirati S., Amara U., Hussain A., Hussain D., Hanif M., Mahmood K., Asif HM., Khalid M., Tariq M., Siddique F., Yaqub M., Ahmad I. Samarium-based metal organic frameworks as high performance electrocatalyst for alkaline water splitting. Fuel 2024; 362: 130812.
13. Oylumluoglu G., Coban MB., Kocak C., Aygun M., Kara H. 2-and 1-D coordination polymers of Dy(III) and Ho(III) with near infrared and visible luminescence by efficient charge-transfer antenna ligand. Journal of Molecular Structure 2017; 1146: 356-364.
14. Sheldrick GM. A short history of SHELX. Acta Crystallographica Section A: Foundations of Crystallography 2007; 64(1): 112-122.
15. Su Y., Yu J., Li Y., Phua SFZ., Liu G., Lim QW., Yang X., Ganguly R., Dang C., Yang C., Zhao Y. Versatile bimetallic lanthanide metal-organic frameworks for tunable emission and efficient fluorescence sensing. Communications Chemistry 2018; 1(12).
16. Şahiner M., Akgök YZ., Arslan M., Ergin MH. Dünyada ve Türkiye’de nadir toprak elementleri (NTE). Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü. https://mta.gov.tr/v3.0/sayfalar/bilgi-merkezi/maden-serisi/dunyada_ve_turkiyede_nadir_toprak_elementleri.pdf (Erişim Tarihi: 17.07. 2024). 2017.
17. Thomas J., Ambili KS., Synthesis, crystal structure and luminescent properties of a new samarium-fluorescein metal-organic framework. Journal of Molecular Structure 2015; 1098: 167-174.