Υπερήχων προετοιμασία των μεταλλικών-οργανικών πλαισίων (MOFs)

• Τα Μεταλλικά-Οργανικά Πλαίσια είναι ενώσεις που σχηματίζονται από ιόντα μετάλλων και οργανικά μόρια έτσι ώστε να δημιουργείται ένα μονοδιάστατο, δισδιάστατο ή τρισδιάστατο υβριδικό υλικό. Αυτές οι υβριδικές δομές μπορεί να είναι πορώδεις ή μη πορώδεις και να προσφέρουν πολλαπλές λειτουργίες.
• Η sonochemical σύνθεση των MOFs είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνική καθώς οι μεταλλικοί-οργανικοί κρύσταλλοι παράγονται πολύ αποτελεσματικά και φιλικά προς το περιβάλλον.
• Η υπερηχητική παραγωγή των MOFs μπορεί να κλιμακωθεί γραμμικά από την προετοιμασία μικρών δειγμάτων στο εργαστήριο έως την πλήρη εμπορική παραγωγή.

Μεταλλικά-οργανικά πλαίσια

Τα κρυσταλλικά μεταλλικά-οργανικά πλαίσια (MOFs) εμπίπτουν στην κατηγορία των πορωδών υλικών υψηλού δυναμικού, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην αποθήκευση αερίου, προσρόφηση/διαχωρισμό, κατάλυση, ως προσροφητικά, στον μαγνητισμό, στο σχεδιασμό αισθητήρων και στην παράδοση φαρμάκων. Τα MOFs συνήθως σχηματίζονται από αυτοσυναρμολόγηση όπου οι δευτερεύουσες κτιριακές μονάδες (SBUs) συνδέονται με οργανικούς αποστάτες (συνδέτες) για τη δημιουργία σύνθετων δικτύων. Οι οργανικοί αποστάτες ή οι μεταλλικοί SBU μπορούν να τροποποιηθούν προκειμένου να ελεγχθεί το πορώδες του MOF, το οποίο είναι κρίσιμο όσον αφορά τις λειτουργίες του και τη χρησιμότητά του για συγκεκριμένες εφαρμογές.

Ηχοχημική σύνθεση MOFs

Η υπερηχητική ακτινοβολία και η σπηλαίωση που δημιουργείται με αυτόν τον τρόπο είναι γνωστή για τις μοναδικές επιδράσεις της στις χημικές αντιδράσεις, γνωστές ως ηχοχημεία. Η βίαιη έκρηξη των φυσαλίδων σπηλαίωσης δημιουργεί τοπικά θερμά σημεία με εξαιρετικά υψηλές μεταβατικές θερμοκρασίες (5000 K), πιέσεις (1800 atm) και ρυθμούς ψύξης (10¹⁰Κς^-1), καθώς και κρουστικά κύματα και οι προκύπτοντες πίδακες υγρού. Σε αυτά τα καυτά σημεία σπηλαίωσης προκαλείται και προωθείται η πυρηνοποίηση και η ανάπτυξη κρυστάλλων, π.χ. μέσω της ωρίμανσης Ostwald. Ωστόσο, το μέγεθος των σωματιδίων είναι περιορισμένο, δεδομένου ότι τα εν λόγω θερμά σημεία χαρακτηρίζονται από ακραίους ρυθμούς ψύξης που σημαίνει ότι η θερμοκρασία του μέσου αντίδρασης πέφτει μέσα σε χιλιοστά του δευτερολέπτου.
Οι υπέρηχοι είναι γνωστό ότι συνθέτουν τα MOF γρήγορα υπό ήπιες συνθήκες διεργασίας, όπως χωρίς διαλύτες, σε θερμοκρασία δωματίου και υπό πίεση περιβάλλοντος. Μελέτες έχουν δείξει ότι τα MOFs μπορούν να παραχθούν οικονομικά αποδοτικά με υψηλή απόδοση μέσω της ηχοχημικής οδού. Τέλος, η ηχοχημική σύνθεση των MOFs είναι μια πράσινη, φιλική προς το περιβάλλον μέθοδος.

Προετοιμασία του MOF-5

Στη μελέτη των Wang et al (2011), Zn₄O[1,4-βενζολοδικαρβοξυλικό]₃ συντέθηκε μέσω ηχοχημικής οδού. 1,36g H₂BDC και 4.84g Zn (ΟΧΙ₃)₂·6H₂O διαλύθηκαν ενδοφλοίως σε 160mL DMF. Στη συνέχεια, 6.43g TEA προστέθηκαν στο μείγμα υπό υπερηχητική ακτινοβολία. Μετά από 2 ώρες, το άχρωμο ίζημα συλλέχθηκε με διήθηση και πλύθηκε με DMF. Το στερεό ξηράνθηκε στους 90°C υπό κενό και στη συνέχεια αποθηκεύτηκε σε ξηραντήρα κενού.

Παρασκευή μικροπορώδους MOF Cu₃(BTC)₂

Li et al. (2009) αναφέρουν την αποτελεσματική υπερηχητική σύνθεση του τρισδιάστατου (3-D) μεταλλικού-οργανικού πλαισίου (MOF) με 3-D κανάλια, όπως το Cu₃(BTC)₂ (HKUST-1, BTC = βενζολο-1,3,5-τρικαρβοξυλικό). Η αντίδραση οξικού χαλκού και H₃BTC σε μεικτό διάλυμα DMF/EtOH/H₂O (3:1:2, v/v) υπό υπερηχητική ακτινοβολία σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και ατμοσφαιρική πίεση για σύντομοι χρόνοι αντίδρασης (5-60 ́) έδωσε στον Cu₃(BTC)₂ Μέσα υψηλή απόδοση (62.6–85.1%). Αυτά τα Cu₃(BTC)₂ Οι νανοκρύσταλλοι έχουν διαστάσεις μεγέθους 10-200 nm, οι οποίες είναι πολύ Μικρότερο από αυτά που συντίθενται με τη συμβατική solvoθερμική μέθοδο. Δεν υπήρχαν σημαντικές διαφορές στις φυσικοχημικές ιδιότητες, π.χ. επιφάνεια BET, όγκος πόρων και χωρητικότητα αποθήκευσης υδρογόνου, μεταξύ Cu₃(BTC)₂ νανοκρύσταλλοι που παρασκευάζονται με τη μέθοδο υπερήχων και οι μικροκρύσταλλοι που λαμβάνονται με τη χρήση βελτιωμένης solvothermal μεθόδου. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές συνθετικές τεχνικές, όπως η τεχνική διάχυσης διαλύτη, υδροθερμικές και solvothermal μέθοδοι, η υπερηχητική μέθοδος για την κατασκευή πορωδών MOFs βρέθηκε να είναι ιδιαίτερα Αποδοτικός και πιο φιλικό προς το περιβάλλον.

Παρασκευή μονοδιάστατου mg(II) MOF

Tahmasian et al. (2013) έκθεση Αποδοτικός, χαμηλό κόστοςκαι φιλικό προς το περιβάλλον διαδρομή για την παραγωγή ενός 3D υπερμοριακού μεταλλικού-οργανικού πλαισίου (MOF) με βάση το MgII, {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_N (H3L = 4,5-ιμιδαζολο-δικαρβοξυλικό οξύ) χρησιμοποιώντας μια υπερηχητικά υποβοηθούμενη οδό.
Νανοδομημένο {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_N συντέθηκε μέσω της ακόλουθης ηχοχημικής οδού. Για την παρασκευή νανοποιημένων {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H₂O}n (1), 20 mL διαλύματος του συνδέτη 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) επιλεγμένες ζώνες: 3383 (W), 3190 (W), 1607 (BR), 1500 (M), 1390 (S), 1242 (M), 820 (M), 652 (M)).
Για τη μελέτη της επίδρασης της συγκέντρωσης των αρχικών αντιδραστηρίων στο μέγεθος και τη μορφολογία της νανοδομημένης ένωσης, οι παραπάνω διεργασίες έγιναν υπό τις ακόλουθες συνθήκες συγκέντρωσης των αρχικών αντιδραστηρίων: [HL2−] = [Mg2+] = 0,025 M.

Sono-σύνθεση φθορισμού μικροπορωδών MOFs

Οι Qiu et al. (2008) βρήκαν μια ηχοχημική διαδρομή για την ταχεία σύνθεση φθορίζοντος μικροπορώδους MOF, Zn₃(BTC)₂⋅12 ώρες₂O (1) και επιλεκτική ανίχνευση οργανοαμινών με τη χρήση νανοκρυστάλλων του 1. Τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν ότι η σύνθεση με υπερήχους είναι μια απλή, αποτελεσματική, χαμηλού κόστους και φιλική προς το περιβάλλον προσέγγιση για νανοκλίμακες MOF.
Το MOF 1 συντέθηκε με τη μέθοδο των υπερήχων σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και ατμοσφαιρική πίεση για διαφορετικούς χρόνους αντίδρασης 5, 10, 30 και 90 λεπτά αντίστοιχα. Πραγματοποιήθηκε επίσης ένα πείραμα ελέγχου για τη σύνθεση της ένωσης 1 με την υδροθερμική μέθοδο και οι δομές επιβεβαιώθηκαν με IR, στοιχειακή ανάλυση και ανάλυση Rietveld των διαγραμμάτων περίθλασης ακτίνων-Χ (XRD) σε σκόνη με χρήση των WinPLOTR και Fullprof¹³. Παραδόξως, η αντίδραση του διένυδρου οξικού ψευδαργύρου με βενζεν-1,3,5-τρικαρβοξυλικό οξύ (H₃BTC) σε 20% αιθανόλη σε νερό (v/v) υπό ακτινοβολία υπερήχων σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και πίεση για 5 λεπτά έδωσε 1 σε αξιοσημείωτα υψηλή απόδοση (75,3%, με βάση το H₃BTC). Επίσης, η απόδοση του 1 αυξήθηκε σταδιακά από 78,2% σε 85,3% με την αύξηση του χρόνου αντίδρασης από 10 σε 90 λεπτά. Το αποτέλεσμα αυτό υποδηλώνει ότι η ταχεία σύνθεση του MOF μπορεί να πραγματοποιηθεί με σημαντικά υψηλή απόδοση με τη χρήση του ηχητικού καθαρισμού. Σε σύγκριση με την υδροθερμική σύνθεση της ίδιας ένωσης MOF 1, η οποία πραγματοποιείται στους 140°C σε υψηλή πίεση για 24 ώρες, η σύνθεση με υπερήχους βρέθηκε ότι είναι μια εξαιρετικά αποτελεσματική μέθοδος με υψηλή απόδοση και χαμηλό κόστος.
Δεδομένου ότι δεν προέκυψε κανένα προϊόν από την ανάμειξη οξικού ψευδαργύρου με H3BTC στο ίδιο μέσο αντίδρασης σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και πίεση απουσία υπερήχων, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι ο ηχητικός έλεγχος παίζει σημαντικό ρόλο κατά το σχηματισμό του MOF 1.
 

Εύκολη σύνθεση υπερμοριακών δομών με χρήση ηχητικής επεξεργασίας – Διαβάστε περισσότερα!

Βρείτε τον καλύτερο ηχοχημικό εξοπλισμό για τη διεργασία σας!

Hielscher Υπέρηχοι έχει μακροχρόνια εμπειρία στο σχεδιασμό και την κατασκευή ισχυρών και αξιόπιστων υπερήχων και sonochemical αντιδραστήρες. Hielscher καλύπτει τις απαιτήσεις εφαρμογής σας με το ευρύ φάσμα των συσκευών υπερήχων – από μικρό Εργαστηριακές συσκευές πέρα Πάγκος-Top και πιλότος υπερήχων μέχρι την πλήρη-βιομηχανικά συστήματα για ηχοχημική παραγωγή σε εμπορική κλίμακα. Μια μεγάλη ποικιλία ηχοβολιστρών, ενισχυτών, αντιδραστήρων, κυψελών ροής, κουτιών ακύρωσης θορύβου και αξεσουάρ επιτρέπει τη διαμόρφωση της βέλτιστης διάταξης για την ηχοχημική αντίδρασή σας. Οι ηχοβολείς της Hielscher είναι πολύ ανθεκτικοί, κατασκευασμένοι για λειτουργία 24 ώρες το 24ωρο και χρειάζονται πολύ λίγη συντήρηση.