הכנה אולטראסונית של מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs)
- מסגרות מתכת-אורגניות הן תרכובות הנוצרות מיוני מתכת ומולקולות אורגניות, כך שנוצר חומר היברידי חד-ממדי, דו-ממדי או תלת-ממדי. מבנים היברידיים אלה יכולים להיות נקבוביים או לא נקבוביים ולהציע פונקציות רבות.
- הסינתזה הסונוכימית של MOFs היא טכניקה מבטיחה מכיוון שהגבישים המתכתיים-אורגניים מיוצרים יעילים מאוד וידידותיים לסביבה.
- הייצור העל-קולי של MOFs יכול להיות בקנה מידה ליניארי מהכנת דגימות קטנות במעבדה לייצור מסחרי מלא.
מסגרות מתכת-אורגניות
מסגרות מתכת-אורגניות גבישיות (MOFs) שייכות לקטגוריה של חומרים נקבוביים בעלי פוטנציאל גבוה, אשר יכולים לשמש באחסון גז, ספיחה/הפרדה, קטליזה, כחומרים סופחים, במגנטיות, תכנון חיישנים ואספקת תרופות. MOFs נוצרים בדרך כלל על ידי הרכבה עצמית שבה יחידות בניין משניות (SBUs) מתחברות עם ספייסרים אורגניים (ליגנדות) כדי ליצור רשתות מורכבות. ניתן לשנות את הספייסרים האורגניים או את ה-SBUs המתכתיים על מנת לשלוט בנקבוביות של ה-MOF, שהיא קריטית לגבי הפונקציות שלו והתועלת שלו עבור יישומים מסוימים.
סוניקטורים מסוג בדיקה – הנה דגם Hielscher UP400St – להקל על סינתזה של ננו-מבנים כגון MOFs .
סינתזה סונוכימית של MOFs
הקרנת אולטרסאונד והקביטציה הנוצרת כתוצאה מכך ידועות בהשפעותיהן הייחודיות על תגובות כימיות, המכונות סונוכימיה. ההתפוצצות האלימה של בועות הקביטציה יוצרת נקודות חמות מקומיות עם טמפרטורות גבוהות ביותר (5000 K), לחצים (1800 אטמוספרות) וקצב קירור (1010ק"ש-1) וכן גלי הלם וזרמי נוזלים הנוצרים כתוצאה מכך. בנקודות חמות אלה של קוויטציה, נוצרים ומועצמים תהליכי התגבשות וצמיחה של גבישים, למשל באמצעות תהליך ההבשלה של אוסטוולד. עם זאת, גודל החלקיקים מוגבל, שכן נקודות חמות אלה מאופיינות בקצב קירור קיצוני, כלומר טמפרטורת המדיום התגובתי יורדת בתוך מילי-שניות.
ידוע כי אולטרסאונד מסנתז MOF במהירות בתנאי תהליך מתונים, כגון ללא ממס, בטמפרטורת החדר ובלחץ סביבתי. מחקרים הראו כי ניתן לייצר MOF בצורה חסכונית בתפוקה גבוהה באמצעות תהליך סונוכימי. לבסוף, הסינתזה הסונוכימית של MOF היא שיטה ירוקה וידידותית לסביבה.
הכנת MOF-5
במחקר של וואנג ואחרים (2011), Zn4O[1,4-בנזנדיקרבוקסילט]3 סונתז באמצעות תהליך סונוכימי. 1.36 גרם H2BDC ו- 4.84 גרם Zn(NO3)2·6 שעות2O הומסו באופן ראשוני ב-DMF של 160 מ"ל. ואז 6.43g TEA נוסף לתערובת תחת קרינה קולית. לאחר שעתיים המשקע חסר הצבע נאסף על ידי סינון ונשטף על ידי DMF. המוצק יובש ב-90 מעלות צלזיוס בוואקום ולאחר מכן אוחסן במייבש ואקום.
הכנת MOF Cu מיקרונקבובי3(BTC)2
Li et al. (2009) מדווחים על סינתזה קולית יעילה של מסגרת מתכת-אורגנית תלת-ממדית (3-D) עם ערוצים תלת-ממדיים, כגון Cu3(BTC)2 (HKUST-1, BTC = בנזן-1,3,5-טריקרבוקסילט). התגובה של cupric אצטט ו H3BTC בתמיסה מעורבת של DMF/EtOH/H2O (3:1:2, v/v) תחת קרינה קולית ב- טמפרטורת הסביבה ו לחץ אטמוספרי בשביל זמני תגובה קצרים (5-60 דקות) נתן לקו3(BTC)2 ב תשואה גבוהה (62.6–85.1%). אלה cu3(BTC)2 לננו-גבישים יש ממדים של טווח גדלים של 10-200 ננומטר, שהם הרבה קטן מאשר אלה מסונתזים בשיטה Solvothermal קונבנציונאלי. לא היו הבדלים משמעותיים בתכונות פיסיקוכימיות, כגון שטח הפנים של BET, נפח הנקבוביות וקיבולת אחסון המימן, בין Cu3(BTC)2 ננו-גבישים שהוכנו בשיטה קולית והמיקרו-גבישים המתקבלים בשיטה סולוותתרמית משופרת. בהשוואה לטכניקות סינתטיות מסורתיות, כגון טכניקת פיזור ממסים, שיטות הידרותרמיות וסולבותרמיות, השיטה העל-קולית לבניית MOFs נקבוביים נמצאה כגבוהה יעיל ו ידידותי יותר לסביבה.
הכנת MOF Mg(II) חד מימדי
Tahmasian et al. (2013) מדווחים על יעיל, עלות נמוכהו ידידותי לסביבה מסלול לייצור מסגרת מתכתית-אורגנית תלת-ממדית על-מולקולרית (MOF) המבוססת על MgII, {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H2O}N (H3L = 4,5-imidazole-dicarboxylic acid) באמצעות מסלול בסיוע אולטרה-סאונד.
ננו-מובנה {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H2O}N סונתז באמצעות המסלול הסונוכימי הבא. להכנת {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H בגודל ננומטרי2O}n (1), 20 מ"ל של תמיסה של ליגנד 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) פסים נבחרים: 3383 (W), 3190 (W), 1607 (BR), 1500 (M), 1390 (S), 1242 (M), 820 (M), 652 (M)).
לצורך חקר השפעת הריכוז של ריאגנטים ראשוניים על גודל ומורפולוגיה של תרכובת ננו-מבנית, התהליכים הנ"ל נעשו בתנאי הריכוז הבאים של ריאגנטים ראשוניים: [HL2−] = [Mg2+] = 0.025 M.
סונו-סינתזה של MOFs מיקרו-נקבוביים פלואורסצנטיים
Qiu et al. (2008) מצאו דרך סונוכימית לסינתזה מהירה של MOF מיקרו-נקבובי זרחני, Zn3(BTC)2⋅12H2O (1) וחישה סלקטיבית של אורגנואמינים באמצעות ננו-גבישים של 1. התוצאות מראות כי סינתזה אולטראסונית היא גישה פשוטה, יעילה, זולה וידידותית לסביבה לייצור MOF בקנה מידה ננומטרי.
MOF 1 סונתז באמצעות השיטה האולטראסונית בטמפרטורת הסביבה ובלחץ אטמוספרי למשך זמני תגובה שונים של 5, 10, 30 ו-90 דקות, בהתאמה. כמו כן, בוצע ניסוי ביקורת כדי לסנתז את התרכובת 1 בשיטה הידרותרמית, והמבנים אושרו באמצעות IR, ניתוח יסודות וניתוח Rietveld של דפוסי דיפרקציית רנטגן (XRD) של האבקה באמצעות WinPLOTR ו-Fullprof.13. באופן מפתיע, התגובה של אבץ אצטט דיהידרט עם חומצה בנזן-1,3,5-טריקרבוקסילית (H3BTC) ב-20% אתנול במים (נפח/נפח) תחת הקרנת אולטרה-סאונד בטמפרטורה ולחץ סביבתיים למשך 5 דקות הניב 1 בתפוקה גבוהה במיוחד (75.3%, על בסיס H3BTC). כמו כן, התשואה של 1 עלתה בהדרגה מ-78.2% ל-85.3% עם עליית זמן התגובה מ-10 ל-90 דקות. תוצאה זו מצביעה על כך שניתן להשיג סינתזה מהירה של MOF בתשואה גבוהה משמעותית באמצעות סוניקציה. בהשוואה לסינתזה הידרותרמית של אותו תרכובת MOF 1, המתבצעת בטמפרטורה של 140°C בלחץ גבוה למשך 24 שעות, סינתזה אולטראסונית נמצאה כשיטה יעילה ביותר עם תשואה גבוהה ועלות נמוכה.
מכיוון שלא התקבל מוצר כלשהו מערבוב אצטט אבץ עם H3BTC באותו מדיום תגובה בטמפרטורה ולחץ סביבתיים בהיעדר אולטרסאונד, ניתן להסיק כי סוניקציה ממלאת תפקיד חשוב במהלך היווצרות MOF 1.
סינתזה קלה של מבנים על-מולקולריים באמצעות סוניקציה – קרא עוד!
מצא את הציוד הסונוכימי הטוב ביותר לתהליך שלך!
Hielscher Ultrasonics יש ניסיון רב שנים בתכנון וייצור של ultrasonicators חזק ואמין כורים sonochemical. Hielscher מכסה את דרישות היישום שלך עם מגוון רחב של מכשירים קוליים – מ קטן מכשירי מעבדה מעל ספסל עליון ו טייס אולטרסאונד עד מלא-מערכות תעשייתיות לייצור סונוכימי בקנה מידה מסחרי. מגוון רחב של סונוטרודים, מגברים, כורים, תאי זרימה, תיבות ביטול רעש ואביזרים מאפשרים להגדיר את התצורה האופטימלית לתגובה הסונוכימית שלכם. הסוניקאטורים של Hielscher הם עמידים מאוד, בנויים לעבודה 24/7 וזקוקים לתחזוקה מועטה בלבד.
מסגרות מתכת-אורגניות ניתנות לסינתזה יעילה באמצעות תהליך סונוכימי.
ספרות / מקורות
- Alireza Zirehpour, Ahmad Rahimpour, Mathias Ulbricht (2017): Nano-sized metal organic framework to improve the structural properties and desalination performance of thin film composite forward osmosis membrane. Journal of Membrane Science, Volume 531, 2017. 59-67.
- Maryam Jouyandeh, Henri Vahabi, Mohammad Reza Saeb, Christian Serre (2021): Amine-functionalized metal–organic frameworks/epoxy nanocomposites: Structure-properties relationships. Journal of Applied Polymer Science, Volume138, Issue39, October 15, 2021.
- Farideh Abbasloo, Seyed Abdolmajid Khosravani, Mehrorang Ghaedi, Kheibar Dashtian, Ebrahim Hosseini, Leila Manzouri, Seyed Sajjad Khorramrooz, Asghar Sharifi, Ramin Jannesar, Farzad Sadri (2018): Sonochemical-solvothermal synthesis of guanine embedded copper based metal-organic framework (MOF) and its effect on oprD gene expression in clinical and standard strains of Pseudomonas aeruginosa. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 42, 2018. 237-243.
- Qiu, Ling-Guang; Li, Zong-Qun; Wu, Yun; Wang, Wei; Xu, Tao; Jiang, Xia (2008): Facile synthesis of nanocrystals of a microporous metal–organic framework by an ultrasonic method and selective sensing of organoamines. Chemical Communication 2008, 3642–3644.