Metal–üzvi karkasların (MOF-ların) ultrasəslə hazırlanması

• Metal–üzvi karkaslar metal ionları və üzvi molekullardan əmələ gələn birləşmələrdir; nəticədə birölçülü, ikiölçülü və ya üçölçülü hibrid material yaranır. Bu hibrid strukturlar məsaməli və ya məsaməsiz ola bilər və çoxsaylı funksional imkanlar təklif edir.
• MOF-ların sonokimyəvi sintezi perspektivli üsuldur, çünki metal–üzvi kristallar çox səmərəli və ekoloji cəhətdən əlverişli şəkildə istehsal olunur.
• MOF-ların ultrasəslə istehsalının miqyası laboratoriyada kiçik nümunələrin hazırlanmasından tam kommersiya istehsalına qədər xətti şəkildə artırıla bilər.

Metal–üzvi karkaslar

Kristallik metal–üzvi karkaslar (MOF-lar) yüksək potensiala malik məsaməli materiallar kateqoriyasına daxildir. Onlardan qazların saxlanmasında, adsorbsiya/ayırmada, katalizdə, adsorbent kimi, maqnetizm sahəsində, sensorların layihələndirilməsində və dərmanların çatdırılmasında istifadə oluna bilər. MOF-lar adətən öz-özünə təşkilolunma nəticəsində yaranır: ikincili struktur vahidləri (SBU-lar) üzvi ara bağlayıcılarla (liqandlarla) birləşərək mürəkkəb şəbəkələr əmələ gətirir. MOF-un məsaməliliyini idarə etmək üçün üzvi ara bağlayıcılar və ya metal SBU-lar dəyişdirilə bilər; məsaməlilik onun funksional imkanları və konkret tətbiqlərdə yararlılığı baxımından həlledici əhəmiyyət daşıyır.

MOF-ların sonokimyəvi sintezi

Ultrasəs şüalanması və onun yaratdığı kavitasiya kimyəvi reaksiyalara sonokimya kimi tanınan özünəməxsus təsirləri ilə yaxşı məlumdur. Kavitasiya qabarcıqlarının şiddətlə içəriyə doğru çökməsi son dərəcə yüksək keçici temperaturlara (5000 K), təzyiqlərə (1800 atm) və soyuma sürətlərinə (10¹⁰Ks^-1) malik lokal isti nöqtələr, həmçinin zərbə dalğaları və onların nəticəsində maye şırnaqları yaradır. Bu kavitasiya isti nöqtələrində kristal nüvələrinin yaranması və kristalların böyüməsi, məsələn, Ostvald yetişməsi vasitəsilə başladılır və sürətləndirilir. Bununla belə, hissəciklərin ölçüsü məhdudlaşır, çünki bu isti nöqtələr son dərəcə yüksək soyuma sürətləri ilə səciyyələnir; bu isə reaksiya mühitinin temperaturunun millisaniyələr ərzində azalması deməkdir.
Ultrasəsin MOF-ları həlledicisiz mühit, otaq temperaturu və ətraf mühit təzyiqi kimi mülayim proses şəraitində sürətlə sintez etdiyi məlumdur. Tədqiqatlar göstərmişdir ki, MOF-lar sonokimyəvi yolla yüksək çıxımla və iqtisadi cəhətdən səmərəli şəkildə istehsal oluna bilər. Nəhayət, MOF-ların sonokimyəvi sintezi yaşıl, ekoloji cəhətdən əlverişli üsuldur.

MOF-5-in hazırlanması

Wang və həmmüəlliflərinin (2011) tədqiqatında Zn₄O[1,4-benzoldikarboksilat]₃ sonokimyəvi yolla sintez edilmişdir. 1,36g H₂BDC və 4,84g Zn(NO₃)₂·6H₂O əvvəlcə 160mL DMF-də həll edilmişdir. Sonra ultrasəs şüalanması altında qarışığa 6,43g TEA əlavə edilmişdir. 2 h sonra rəngsiz çöküntü filtrasiya ilə toplanmış və DMF ilə yuyulmuşdur. Bərk maddə vakuumda 90°C temperaturda qurudulmuş, sonra isə vakuum eksikatorunda saxlanmışdır.

Mikroməsaməli MOF-un hazırlanması: Cu₃(BTC)₂

Li və həmmüəllifləri (2009) 3-D kanalları olan üçölçülü (3-D) metal–üzvi karkasın (MOF) səmərəli ultrasəs sintezi barədə məlumat verirlər; belə karkaslara nümunə Cu₃(BTC)₂ (HKUST-1, BTC = benzol-1,3,5-trikarboksilat) materialıdır. Mis(II) asetat və H₃BTC-nin DMF/EtOH/H₂O (3:1:2, v/v) qarışıq məhlulunda ultrasəs şüalanması altında, ətraf mühit temperaturunda və atmosfer təzyiqində aparılan reaksiyası qısa reaksiya müddətlərində (5–60 min) Cu₃(BTC)₂ alınmasını təmin etmişdir; bu zaman yüksək çıxım (62,6–85,1%) əldə edilmişdir. Bu Cu₃(BTC)₂ nanokristallarının ölçüləri 10–200 nm diapazonundadır və onlar ənənəvi solvotermal üsulla sintez edilənlərdən xeyli kiçikdir . Ultrasəs üsulu ilə hazırlanmış Cu₃(BTC)₂ nanokristalları ilə təkmilləşdirilmiş solvotermal üsulla əldə edilmiş mikrokristallar arasında fiziki-kimyəvi xassələr, məsələn, BET səth sahəsi, məsamə həcmi və hidrogen saxlama tutumu baxımından əhəmiyyətli fərqlər olmamışdır. Həlledici diffuziyası üsulu, hidrotermal və solvotermal üsullar kimi ənənəvi sintez üsulları ilə müqayisədə məsaməli MOF-ların qurulması üçün ultrasəs üsulunun yüksək dərəcədə səmərəli və ekoloji cəhətdən daha əlverişli olduğu müəyyən edilmişdir.

Birölçülü Mg(II) MOF-un hazırlanması

Tahmasian və həmmüəllifləri (2013) səmərəli, az xərc tələb edən və ekoloji cəhətdən əlverişli üsul barədə məlumat verirlər. Ultrasəsin köməyi ilə tətbiq olunan bu üsulla MgII əsaslı 3D supramolekulyar metal–üzvi karkas (MOF), {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_n (H3L = 4,5-imidazol-dikarboksil turşusu) istehsal olunur.
Nanostrukturlu {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_n aşağıdakı sonokimyəvi yolla sintez edilmişdir. Nanoölçülü {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H₂O}n (1) hazırlamaq üçün 20 mL həcmində H₃IDC liqandı (0,05M) və kalium hidroksid (0,1 M) məhluluna maksimum çıxış gücü 305 W olan yüksək sıxlıqlı ultrasəs zondu yerləşdirilmişdir. Bu məhlula 20 mL maqnezium nitratın sulu məhlulu (0,05M) damcı-damcı əlavə edilmişdir. Alınmış çöküntülər filtrasiya ilə ayrılmış, su və etanol ilə yuyulmuş və havada qurudulmuşdur (ərimə temperaturu> 300ºC. (Müəyyən edilmişdir: C, 24,84; H, 3,22; N, 11,67%.). IR (cm^-1) seçilmiş zolaqlar: 3383 (w), 3190 (w), 1607 (br), 1500 (m), 1390 (s), 1242 (m), 820 (m), 652 (m)).
İlkin reagentlərin konsentrasiyasının nanostrukturlu birləşmənin ölçüsünə və morfologiyasına təsirini öyrənmək üçün yuxarıdakı proseslər ilkin reagentlərin aşağıdakı konsentrasiyası şəraitində aparılmışdır: [HL2−] = [Mg2+] = 0,025 M.

Flüoressent mikroməsaməli MOF-ların sonosintezi

Qiu və həmmüəllifləri (2008) flüoressent mikroməsaməli MOF olan Zn₃(BTC)₂⋅12H₂O (1) materialının sürətli sintezi və 1-in nanokristallarından istifadə etməklə üzvi aminlərin selektiv aşkarlanması üçün sonokimyəvi üsul tapmışlar. Nəticələr göstərir ki, ultrasəs sintezi nanoölçülü MOF-ların alınması üçün sadə, səmərəli, az xərc tələb edən və ekoloji cəhətdən əlverişli yanaşmadır.
MOF 1 ultrasəs üsulu ilə ətraf mühit temperaturunda və atmosfer təzyiqində, müvafiq olaraq 5, 10, 30 və 90 min olan müxtəlif reaksiya müddətlərində sintez edilmişdir. 1 birləşməsinin hidrotermal üsulla sintezi üçün nəzarət təcrübəsi də aparılmış və strukturlar IR, element analizi və WinPLOTR və Fullprof proqramlarından istifadə etməklə toz rentgen difraksiyası (XRD) mənzərələrinin Ritveld analizi ilə təsdiqlənmişdir¹³. Təəccüblüdür ki, sink asetat dihidratın benzol-1,3,5-trikarboksil turşusu (H₃BTC) ilə suda 20% etanol mühitində (v/v), ətraf mühit temperaturunda və təzyiqində ultrasəs şüalanması altında 5 min ərzində reaksiyası nəticəsində 1 olduqca yüksək çıxımla (75,3%, H₃BTC əsasında) alınmışdır. Həmçinin reaksiya müddətinin 10 min-dən 90 min-ə artırılması ilə 1-in çıxımı tədricən 78,2%-dən 85,3%-ə yüksəlmişdir. Bu nəticə göstərir ki, ultrasəslə işləmə vasitəsilə MOF-un sürətli sintezini xeyli yüksək çıxımla həyata keçirmək mümkündür. Eyni MOF 1 birləşməsinin 140°C temperaturda, yüksək təzyiq altında 24 h ərzində aparılan hidrotermal sintezi ilə müqayisədə ultrasəs sintezinin yüksək çıxım və az xərclə səciyyələnən, yüksək dərəcədə səmərəli üsul olduğu müəyyən edilmişdir.
Ultrasəs olmadıqda eyni reaksiya mühitində, ətraf mühit temperaturunda və təzyiqində sink asetatı H3BTC ilə qarışdırmaqla heç bir məhsul alınmadığı üçün ultrasəslə işləmənin MOF 1-in əmələ gəlməsi zamanı mühüm rol oynadığı qənaətinə gəlmək olar.
 

Ultrasəslə işləmə vasitəsilə supramolekulyar strukturların asan sintezi – daha ətraflı oxuyun!

Prosesiniz üçün ən yaxşı sonokimyəvi avadanlığı tapın!

Hielscher Ultrasonics güclü və etibarlı ultrasəs cihazlarının və sonokimyəvi reaktorların layihələndirilməsi və istehsalında uzunmüddətli təcrübəyə malikdir. Hielscher geniş ultrasəs cihazları çeşidi ilə tətbiq tələblərinizi qarşılayır – kiçik laboratoriya cihazlarından başlayaraq masaüstü və pilot ultrasəs cihazlarından kommersiya miqyasında sonokimyəvi istehsal üçün tam sənaye sistemlərinə qədər. Sonotrodların, amplituda gücləndiricilərinin, reaktorların, axın hüceyrələrinin, səs-küyü azaldan qutuların və aksesuarların geniş çeşidi sonokimyəvi reaksiyanız üçün optimal quruluşu konfiqurasiya etməyə imkan verir. Hielscher sonikatorları çox möhkəmdir, 24/7 işləmək üçün hazırlanmışdır və yalnız çox az texniki qulluq tələb edir.