Ultrazvuková příprava kovo-organických struktur (MOFs)

• Kovo-organické rámce jsou sloučeniny vytvořené z kovových iontů a organických molekul tak, aby byl vytvořen jedno-, dvourozměrný nebo trojrozměrný hybridní materiál. Tyto hybridní struktury mohou být porézní nebo neporézní a nabízejí rozmanité funkce.
• Sonochemická syntéza MOF je slibnou technikou, protože kovo-organické krystaly jsou produkovány velmi efektivně a šetrně k životnímu prostředí.
• Ultrazvuková výroba MOF může být lineárně škálována od přípravy malých vzorků v laboratoři až po plnou komerční výrobu.

Kovo-organické konstrukce

Krystalické kovo-organické struktury (MOFs) spadají do kategorie porézních materiálů s vysokým potenciálem, které lze použít při skladování plynu, adsorpci/separaci, katalýze, jako adsorbenty, při magnetismu, návrhu senzorů a dodávání léčiv. MOF jsou obvykle tvořeny samouspořádáním, kde se sekundární stavební jednotky (SBU) spojí s organickými distančními vložkami (ligandy) a vytvoří složité sítě. Organické distanční vložky nebo kovové SBU mohou být modifikovány tak, aby kontrolovaly pórovitost MOF, což je zásadní z hlediska jeho funkcí a užitečnosti pro konkrétní aplikace.

Sonochemická syntéza MOF

Ultrazvukové ozařování a tím vzniklá kavitace jsou dobře známé pro své jedinečné účinky na chemické reakce, známé jako sonochemie. Prudká imploze kavitačních bublin vytváří lokalizovaná horká místa s mimořádně vysokými přechodnými teplotami (5000 K), tlaky (1800 atm) a rychlostmi ochlazování (10 %).¹⁰ks^-1), jakož i rázové vlny a z nich vznikající kapalné proudy. V těchto kavitačních horkých bodech je vyvolána a podporována nukleace a růst krystalů, např. Ostwaldovým zráním. Velikost částic je však omezená, protože tyto horké body se vyznačují extrémní rychlostí ochlazování, což znamená, že teplota reakčního prostředí klesá během milisekund.
Je známo, že ultrazvuk umožňuje rychlou syntézu MOFů za mírných procesních podmínek, například bez rozpouštědel, při pokojové teplotě a za okolního tlaku. Studie ukázaly, že MOFy lze sonochemickou cestou vyrábět nákladově efektivně a s vysokým výtěžkem. Sonochemická syntéza MOFů je ekologická metoda šetrná k životnímu prostředí.

Příprava MOF-5

Ve studii Wanga a kol. (2011) Zn₄O[1,4-benzendikarboxylát]₃ byl syntetizován sonochemickou cestou. 1,36 g H₂BDC a 4,84 g Zn (NE₃)₂·6H₂O byly iniliálně rozpuštěny ve 160 ml DMF. Poté bylo do směsi přidáno 6,43 g TEA pod ultrazvukovým ozářením. Po 2 hodinách byla bezbarvá sraženina zachycena filtrací a promyta DMF. Pevná látka byla sušena při teplotě 90 °C ve vakuu a poté skladována ve vakuovém exsikátoru.

Příprava mikroporézního MOF Cu₃(BTC)₂

Li et al. (2009) uvádějí účinnou ultrazvukovou syntézu trojrozměrného (3-D) kov-organického rámce (MOF) s 3-D kanály, jako je Cu₃(BTC)₂ (HKUST-1, BTC = benzen-1,3,5-trikarboxylát). Reakce octanu měďnatého a H₃BTC ve směsném roztoku DMF/EtOH/H₂O (3:1:2, v/v) při ultrazvukovém ozáření při Teplotě a tlak vzduchu pro krátké reakční časy (5–60 min) dal Cu₃(BTC)₂ V vysoký výnos (62.6–85.1%). Tyto Cu₃(BTC)₂ Nanokrystaly mají rozměry v rozmezí velikostí 10–200 nm, což je mnohem více menší než ty, které byly syntetizovány konvenční solvotermickou metodou. Nebyly zjištěny žádné významné rozdíly ve fyzikálně-chemických vlastnostech, např. ploše povrchu BET, objemu pórů a kapacitě pro skladování vodíku, mezi Cu₃(BTC)₂ Nanokrystaly připravené ultrazvukovou metodou a mikrokrystaly získané vylepšenou solvotermickou metodou. Ve srovnání s tradičními syntetickými technikami, jako je technika difúze rozpouštědla, hydrotermální a solvotermální metody, bylo zjištěno, že ultrazvuková metoda pro konstrukci porézních MOF je vysoce vysoká. Efektivní a šetrnější k životnímu prostředí.

Příprava jednorozměrného Mg(II) MOF

Tahmasian et al. (2013) uvádějí Efektivní, Nízké nákladya Šetrný k životnímu prostředí cesta k vytvoření 3D supramolekulárního kovo-organického rámce (MOF) založeného na MgII, {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1,5H₂O}_N (H3L = 4,5-imidazol-dikarboxylová kyselina) ultrazvukem asistovanou cestou.
Nanostrukturované {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1,5H₂O}_N byl syntetizován následující sonochemickou cestou. K přípravě nanosized {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1,5H₂O}n (1), 20 ml roztoku ligandu H₃IDC (0.05M) and potassium hydroxide (0.1 M) was positioned a high-density ultrasonic probe with a maximum power output of 305 W. Into this solution 20 mL of an aqueous solution of magnesium nitrate (0.05M) was added dropwise. The obtained precipitates were filtered off, washed with water andethanol, and air-dried (m.p.> 300ºC. (Found: C, 24.84; H, 3.22; N, 11.67%.). IR (cm^-1) Vybraná pásma: 3383 (W), 3190 (W), 1607 (Br), 1500 (M), 1390 (S), 1242 (M), 820 (M), 652 (M)).
Pro studium vlivu koncentrace výchozích činidel na velikost a morfologii nanostrukturované sloučeniny byly výše uvedené procesy provedeny za následujících podmínek koncentrace počátečních činidel: [HL2−] = [Mg2+] = 0,025 M.

Sono-syntéza fluorescenčních mikroporézních MOF

Qiu et al. (2008) nalezli sonochemickou cestu pro rychlou syntézu fluorescenčních mikroporézních MOF, Zn₃(BTC)₂⋅12H₂O (1) a selektivní detekci organických aminů pomocí nanokrystalů 1. Výsledky ukazují, že ultrazvuková syntéza je jednoduchý, účinný, levný a ekologický přístup k MOFům v nanorozměrech.
MOF 1 byl syntetizován ultrazvukovou metodou při teplotě okolí a atmosférickém tlaku po různou dobu reakce 5, 10, 30 a 90 minut. Byl proveden také kontrolní experiment se syntézou sloučeniny 1 hydrotermální metodou a struktury byly potvrzeny pomocí IR, elementární analýzy a Rietveldovy analýzy práškových rentgenových difrakčních (XRD) vzorků pomocí programů WinPLOTR a Fullprof.¹³. Překvapivě reakce dihydrátu octanu zinečnatého s benzen-1,3,5-trikarboxylovou kyselinou (H₃BTC) v 20% ethanolu ve vodě (v/v) při ultrazvukovém ozařování při teplotě a tlaku okolí po dobu 5 min poskytl 1 v pozoruhodně vysokém výtěžku (75,3 %, vztaženo na H₃BTC). Také výtěžek 1 se postupně zvyšoval ze 78,2 % na 85,3 % s prodlužováním reakční doby z 10 na 90 min. Tento výsledek naznačuje, že rychlou syntézu MOF lze realizovat s výrazně vysokým výtěžkem pomocí sonikace. Ve srovnání s hydrotermální syntézou stejné sloučeniny MOF 1, která se provádí při 140 °C za vysokého tlaku po dobu 24 h, se ultrazvuková syntéza jeví jako vysoce účinná metoda s vysokým výtěžkem a nízkými náklady.
Vzhledem k tomu, že smícháním octanu zinečnatého s H3BTC ve stejném reakčním prostředí při teplotě a tlaku okolí bez ultrazvuku nebyl získán žádný produkt, lze usuzovat, že sonikace hraje při tvorbě MOF 1 důležitou roli.
 

Snadná syntéza supramolekulárních struktur pomocí sonikace – Přečtěte si více!

Najděte nejlepší sonochemické zařízení pro svůj proces!

Hielscher Ultrasonics má dlouholeté zkušenosti s návrhem a výrobou výkonných a spolehlivých ultrazvukových a sonochemických reaktorů. Hielscher pokrývá vaše požadavky na aplikaci se svou širokou škálou ultrazvukových zařízení – od malých Laboratorní přístroje přes Stolní a pilot ultrasonicators až do plného-Průmyslové systémy pro sonochemickou výrobu v komerčním měřítku. Široká škála sonotrod, boosterů, reaktorů, průtokových cel, boxů pro potlačení hluku a příslušenství umožňuje nakonfigurovat optimální nastavení pro vaši sonochemickou reakci. Sonikátory Hielscher jsou velmi robustní, konstruované pro nepřetržitý provoz a vyžadují jen velmi malou údržbu.