Préparation par ultrasons de structures métallo-organiques (MOF)

• Les structures métallo-organiques sont des composés formés à partir d'ions métalliques et de molécules organiques de manière à créer un matériau hybride uni-, bi- ou tridimensionnel. Ces structures hybrides peuvent être poreuses ou non poreuses et offrir de nombreuses fonctionnalités.
• La synthèse sonochimique des MOF est une technique prometteuse car les cristaux métallo-organiques sont produits de manière très efficace et respectueuse de l'environnement.
• La production ultrasonique de MOF peut être mise à l'échelle de façon linéaire depuis la préparation de petits échantillons en laboratoire jusqu'à la production commerciale complète.

cadres métallo-organiques

Les structures cristallines métallo-organiques (MOF) appartiennent à la catégorie des matériaux poreux à fort potentiel, qui peuvent être utilisés pour le stockage des gaz, l'adsorption/la séparation, la catalyse, comme adsorbants, le magnétisme, la conception de capteurs et l'administration de médicaments. Les MOF sont généralement formés par auto-assemblage, les unités de construction secondaires (SBU) étant reliées à des espaceurs organiques (ligands) pour créer des réseaux complexes. Les espaceurs organiques ou les SBUs métalliques peuvent être modifiés afin de contrôler la porosité du MOF, ce qui est crucial pour ses fonctionnalités et son utilité pour des applications particulières.

Synthèse sonochimique de MOFs

L'irradiation ultrasonique et la cavitation qu'elle génère sont bien connues pour leurs effets uniques sur les réactions chimiques, connues sous le nom de sonochimie. L'implosion violente des bulles de cavitation génère des points chauds localisés avec des températures transitoires (5000 K), des pressions (1800 atm) et des vitesses de refroidissement (10¹⁰Ks^-1) ainsi que les ondes de choc et les jets de liquide qui en résultent. Ces points chauds de cavitation induisent et favorisent la nucléation et la croissance des cristaux, par exemple par mûrissement d'Ostwald. Cependant, la taille des particules est limitée car ces points chauds sont caractérisés par des vitesses de refroidissement extrêmes, ce qui signifie que la température du milieu réactionnel chute en l'espace de quelques millisecondes.
Les ultrasons sont connus pour synthétiser rapidement des MOF dans des conditions de processus douces, telles que l'absence de solvant, la température ambiante et la pression ambiante. Des études ont montré que les MOF peuvent être produits de manière rentable et avec un rendement élevé par voie sonochimique. Enfin, la synthèse sonochimique des MOF est une méthode verte et respectueuse de l'environnement.

Préparation du MOF-5

Dans l'étude de Wang et al (2011), le Zn₄O[1,4-benzènedicarboxylate]₃ a été synthétisé par voie sonochimique. 1,36 g de H₂BDC et 4,84 g de Zn(NO₃)₂-6H₂O ont été dissous dans 160 ml de DMF. Ensuite, 6,43 g de TEA ont été ajoutés au mélange sous irradiation ultrasonique. Après 2 heures, le précipité incolore a été recueilli par filtration et lavé avec du DMF. Le solide a été séché à 90°C sous vide et stocké dans un dessiccateur sous vide.

Préparation de MOF microporeux Cu₃(BTC)₂

Li et al. (2009) rapportent la synthèse ultrasonique efficace de cadres métallo-organiques (MOF) tridimensionnels (3-D) avec des canaux 3-D, tels que Cu₃(BTC)₂ (HKUST-1, BTC = benzène-1,3,5-tricarboxylate). La réaction de l'acétate de cuivre et du H₃BTC dans une solution mixte de DMF/EtOH/H₂O (3:1:2, v/v) sous irradiation ultrasonique à température ambiante et pression atmosphérique pour des temps de réaction courts (5-60 min) a donné du Cu₃(BTC)₂ En rendement élevé (62.6-85.1%). Ces taux de Cu₃(BTC)₂ Les nanocristaux ont des dimensions de l'ordre de 10 à 200 nm, ce qui est beaucoup plus important que la taille d'un cristal. plus petit que ceux synthétisés à l'aide de la méthode solvothermique conventionnelle. Il n'y avait pas de différences significatives dans les propriétés physicochimiques, par exemple la surface BET, le volume des pores et la capacité de stockage de l'hydrogène, entre le Cu₃(BTC)₂ nano-cristaux préparés à l'aide de la méthode ultrasonique et les microcristaux obtenus à l'aide de la méthode solvothermique améliorée. Comparée aux techniques synthétiques traditionnelles, telles que la technique de diffusion par solvant, les méthodes hydrothermales et solvothermiques, la méthode ultrasonique pour la construction de MOF poreux s'est avérée très efficace. Efficace et plus respectueux de l'environnement.

Préparation d'un MOF unidimensionnel de Mg(II)

Tahmasian et al. (2013) font état d'une Efficace, faible coûtet respectueux de l'environnement pour produire une structure métallo-organique (MOF) supramoléculaire 3D à base de MgII, {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_n (H3L = acide 4,5-imidazole-dicarboxylique) par une méthode assistée par ultrasons.
Nanostructurées {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_n a été synthétisé par la voie sonochimique suivante. Pour préparer des {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1,5H₂O}n (1), 20 mL d'une solution du ligand 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) : 3383 (w), 3190 (w), 1607 (br), 1500 (m), 1390 (s), 1242 (m), 820 (m), 652 (m)).
Pour étudier l'effet de la concentration des réactifs initiaux sur la taille et la morphologie du composé nanostructuré, les processus ci-dessus ont été réalisés dans les conditions de concentration suivantes des réactifs initiaux : [HL2-] = [Mg2+] = 0,025 M.

Sono-Synthèse de MOF microporeux fluorescents

Qiu et al. (2008) ont trouvé une voie sonochimique pour la synthèse rapide de MOF microporeux fluorescents, Zn₃(BTC)₂⋅12H₂Les résultats révèlent que la synthèse par ultrasons est une approche simple, efficace, peu coûteuse et respectueuse de l'environnement pour obtenir des MOF nanométriques.
Le MOF 1 a été synthétisé à l'aide de la méthode ultrasonique à température ambiante et à pression atmosphérique pour différents temps de réaction de 5, 10, 30 et 90 minutes, respectivement. Une expérience de contrôle a également été réalisée pour synthétiser le composé 1 à l'aide de la méthode hydrothermique, et les structures ont été confirmées par IR, analyse élémentaire et analyse de Rietveld des diagrammes de diffraction des rayons X (XRD) de la poudre à l'aide de WinPLOTR et Fullprof.¹³. De manière surprenante, la réaction de l'acétate de zinc dihydraté avec l'acide benzène-1,3,5-tricarboxylique (H₃BTC) dans 20% d'éthanol dans l'eau (v/v) sous irradiation ultrasonique à température et pression ambiantes pendant 5 min a donné 1 avec un rendement remarquablement élevé (75,3%, sur la base de H₃BTC). En outre, le rendement de 1 a augmenté progressivement de 78,2 % à 85,3 % en augmentant le temps de réaction de 10 à 90 minutes. Ce résultat suggère que la synthèse rapide de MOF peut être réalisée avec un rendement significativement élevé en utilisant la sonication. Comparée à la synthèse hydrothermale du même composé MOF 1, qui est réalisée à 140°C à haute pression pendant 24 heures, la synthèse par ultrasons s'avère être une méthode très efficace avec un rendement élevé et un faible coût.
Comme aucun produit n'a été obtenu en mélangeant l'acétate de zinc avec le H3BTC dans le même milieu réactionnel à température et pression ambiantes en l'absence d'ultrasons, on peut conclure que la sonication joue un rôle important lors de la formation du MOF 1.
 

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