धातु-कार्बनिक ढाँचों (MOFs) की अल्ट्रासोनिक तैयारी
- धातु-कार्बनिक ढाँचे धातु आयनों और कार्बनिक अणुओं से बने यौगिक होते हैं, जिनसे एक-, द्वि- या त्रि-आयामी संकर पदार्थ बनता है। ये संकर संरचनाएँ सरंध्र या गैर-सरंध्र हो सकती हैं और अनेक प्रकार की कार्यात्मकताएँ प्रदान करती हैं।
- MOFs का सोनोकेमिकल संश्लेषण एक आशाजनक तकनीक है, क्योंकि इससे धातु-कार्बनिक क्रिस्टल अत्यंत कुशलता से और पर्यावरण के अनुकूल तरीके से बनाए जाते हैं।
- MOFs के अल्ट्रासोनिक उत्पादन को प्रयोगशाला में छोटे नमूने तैयार करने से लेकर पूर्ण वाणिज्यिक उत्पादन तक रैखिक रूप से बढ़ाया जा सकता है।
धातु-कार्बनिक ढाँचे
क्रिस्टलीय धातु-कार्बनिक ढाँचे (MOFs) उच्च संभावनाओं वाले सरंध्र पदार्थों की श्रेणी में आते हैं। इनका उपयोग गैस भंडारण, अधिशोषण/पृथक्करण, उत्प्रेरण, अधिशोषकों के रूप में, चुंबकत्व, सेंसर डिज़ाइन और औषधि वितरण में किया जा सकता है। MOFs सामान्यतः स्व-संयोजन से बनते हैं, जिसमें द्वितीयक निर्माण इकाइयाँ (SBUs) कार्बनिक अंतरकों (लिगैंडों) से जुड़कर जटिल जालक बनाती हैं। MOF की सरंध्रता को नियंत्रित करने के लिए कार्बनिक अंतरकों या धात्विक SBUs को संशोधित किया जा सकता है। यह सरंध्रता उसकी कार्यात्मकताओं और विशिष्ट अनुप्रयोगों में उसकी उपयोगिता के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण होती है।
प्रोब-प्रकार के सोनिकेटर – यहाँ Hielscher मॉडल UP400St – MOFs जैसी नैनोसंरचनाओं के संश्लेषण को सुगम बनाते हैं।
MOFs का सोनोकेमिकल संश्लेषण
अल्ट्रासोनिक विकिरण और उससे उत्पन्न कैविटेशन रासायनिक अभिक्रियाओं पर अपने अनूठे प्रभावों के लिए सुविख्यात हैं; इन प्रभावों को सोनोकेमिस्ट्री कहा जाता है। कैविटेशन बुलबुलों के तीव्र अंतःस्फोट से अत्यधिक उच्च क्षणिक तापमान (5000 K), दाब (1800 atm) और शीतलन दरों (1010Ks-1) वाले स्थानीय तप्त स्थल उत्पन्न होते हैं, साथ ही आघात तरंगें और उनसे उत्पन्न द्रव जेट भी बनते हैं। इन कैविटेशनजनित तप्त स्थलों पर क्रिस्टल का नाभिकन और वृद्धि, उदाहरण के लिए ओस्टवाल्ड परिपक्वन द्वारा, प्रेरित और प्रोत्साहित होते हैं। हालाँकि, कणों का आकार सीमित रहता है, क्योंकि इन तप्त स्थलों की शीतलन दरें अत्यधिक होती हैं, अर्थात अभिक्रिया माध्यम का तापमान मिलीसेकंडों के भीतर गिर जाता है।
अल्ट्रासाउंड हल्की प्रक्रिया स्थितियों, जैसे विलायक-रहित अवस्था, कमरे के तापमान और परिवेशी दाब पर, MOFs का तीव्र संश्लेषण करने के लिए जाना जाता है। अध्ययनों से पता चला है कि सोनोकेमिकल मार्ग से कम लागत में उच्च उपज के साथ MOFs बनाए जा सकते हैं। अंततः, MOFs का सोनोकेमिकल संश्लेषण एक हरित, पर्यावरण के अनुकूल विधि है।
MOF-5 की तैयारी
Wang et al (2011) के अध्ययन में, Zn4O[1,4-benzenedicarboxylate]3 का संश्लेषण सोनोकेमिकल मार्ग से किया गया। 1.36g H2BDC और 4.84g Zn(NO3)2·6H2O को पहले 160mL DMF में घोला गया। फिर अल्ट्रासोनिक विकिरण के अंतर्गत मिश्रण में 6.43g TEA मिलाया गया। 2 h के बाद रंगहीन अवक्षेप को निस्यंदन द्वारा एकत्र किया गया और DMF से धोया गया। ठोस को निर्वात में 90°C पर सुखाया गया और फिर एक निर्वात शुष्कित्र में रखा गया।
सूक्ष्मरंध्री MOF की तैयारी: Cu3(BTC)2
Li et al. (2009) के अनुसार, 3-D चैनलों वाले त्रि-आयामी (3-D) धातु-कार्बनिक ढाँचे (MOF), जैसे Cu3(BTC)2 (HKUST-1, BTC = benzene-1,3,5-tricarboxylate), का कुशल अल्ट्रासोनिक संश्लेषण किया गया। क्यूप्रिक एसीटेट और H3BTC की अभिक्रिया DMF/EtOH/H2O (3:1:2, v/v) के मिश्रित विलयन में अल्ट्रासोनिक विकिरण के अंतर्गत परिवेशी तापमान और वायुमंडलीय दाब पर अल्प अभिक्रिया अवधि (5–60 min) तक करने से Cu3(BTC)2 की उच्च उपज (62.6–85.1%) प्राप्त हुई। इन Cu3(BTC)2 नैनोक्रिस्टलों का आकार 10–200 nm की सीमा में है, जो पारंपरिक विलायकोष्मीय विधि से संश्लेषित क्रिस्टलों की तुलना में बहुत छोटा है। अल्ट्रासोनिक विधि से तैयार Cu3(BTC)2 नैनोक्रिस्टलों और उन्नत विलायकोष्मीय विधि से प्राप्त सूक्ष्मक्रिस्टलों के भौतिक-रासायनिक गुणों, जैसे BET सतह क्षेत्रफल, रंध्र आयतन और हाइड्रोजन भंडारण क्षमता, में कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं था। विलायक विसरण तकनीक, जलतापीय और विलायकोष्मीय विधियों जैसी पारंपरिक संश्लेषण तकनीकों की तुलना में, सरंध्र MOFs के निर्माण की अल्ट्रासोनिक विधि अत्यधिक कुशल और पर्यावरण के अधिक अनुकूल पाई गई.
एक-आयामी Mg(II) MOF की तैयारी
Tahmasian et al. (2013) ने एक कुशल, कम लागत वाले, और पर्यावरण के अनुकूल मार्ग की सूचना दी है, जिसमें अल्ट्रासोनिक सहायता से MgII पर आधारित 3D अतिआणविक धातु-कार्बनिक ढाँचे (MOF), {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H2O}n (H3L = 4,5-imidazole-dicarboxylic acid), का उत्पादन किया जाता है।
नैनोसंरचित {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H2O}n का संश्लेषण निम्नलिखित सोनोकेमिकल मार्ग से किया गया। नैनोआकार के {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H2O}n (1) को तैयार करने के लिए, 20 mL के विलयन में, जिसमें लिगैंड H3IDC (0.05M) और पोटैशियम हाइड्रॉक्साइड (0.1 M) थे, 305 W के अधिकतम शक्ति आउटपुट वाला उच्च-घनत्व अल्ट्रासोनिक प्रोब रखा गया। इस विलयन में मैग्नीशियम नाइट्रेट (0.05M) का 20 mL जलीय विलयन बूँद-बूँद करके मिलाया गया। प्राप्त अवक्षेपों को छानकर अलग किया गया, पानी और एथेनॉल से धोया गया और हवा में सुखाया गया (गलनांक> 300ºC. (प्राप्त: C, 24.84; H, 3.22; N, 11.67%.). IR (cm-1) चयनित बैंड: 3383 (w), 3190 (w), 1607 (br), 1500 (m), 1390 (s), 1242 (m), 820 (m), 652 (m)).
नैनोसंरचित यौगिक के आकार और आकृति पर प्रारंभिक अभिकर्मकों की सांद्रता के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए, उपर्युक्त प्रक्रियाएँ प्रारंभिक अभिकर्मकों की निम्नलिखित सांद्रता की स्थिति में की गईं: [HL2−] = [Mg2+] = 0.025 M.
प्रतिदीप्त सूक्ष्मरंध्री MOFs का सोनो-संश्लेषण
Qiu et al. (2008) ने प्रतिदीप्त सूक्ष्मरंध्री MOF, Zn3(BTC)2⋅12H2O (1), के तीव्र संश्लेषण और 1 के नैनोक्रिस्टलों का उपयोग करके कार्बनिक अमीनों के चयनात्मक संसूचन के लिए एक सोनोकेमिकल मार्ग खोजा। परिणाम बताते हैं कि अल्ट्रासोनिक संश्लेषण नैनोस्तरीय MOFs बनाने का एक सरल, कुशल, कम लागत वाला और पर्यावरण के अनुकूल तरीका है।
MOF 1 का संश्लेषण अल्ट्रासोनिक विधि से परिवेशी तापमान और वायुमंडलीय दाब पर क्रमशः 5, 10, 30 और 90 min की अलग-अलग अभिक्रिया अवधियों के लिए किया गया। जलतापीय विधि से यौगिक 1 का संश्लेषण करने के लिए एक नियंत्रण प्रयोग भी किया गया, और संरचनाओं की पुष्टि IR, तात्विक विश्लेषण तथा चूर्ण एक्स-रे विवर्तन (XRD) पैटर्नों के रिटवेल्ड विश्लेषण द्वारा की गई, जिसमें WinPLOTR और Fullprof का उपयोग किया गया13। आश्चर्यजनक रूप से, जिंक एसीटेट डाइहाइड्रेट और benzen-1,3,5-tricarboxylic acid (H3BTC) की जल में 20% एथेनॉल (v/v) में, परिवेशी तापमान और दाब पर अल्ट्रासोनिक विकिरण के अंतर्गत 5 min तक अभिक्रिया करने से 1 की उल्लेखनीय रूप से उच्च उपज (75.3%, H3BTC के आधार पर) प्राप्त हुई। साथ ही, अभिक्रिया अवधि को 10 से 90 min तक बढ़ाने पर 1 की उपज धीरे-धीरे 78.2% से बढ़कर 85.3% हो गई। यह परिणाम दर्शाता है कि सोनिकेशन का उपयोग करके काफी उच्च उपज के साथ MOF का तीव्र संश्लेषण किया जा सकता है। उसी यौगिक MOF 1 के जलतापीय संश्लेषण की तुलना में, जो 140°C पर उच्च दाब में 24 h तक किया जाता है, अल्ट्रासोनिक संश्लेषण उच्च उपज और कम लागत वाली अत्यधिक कुशल विधि पाया गया।
चूँकि अल्ट्रासाउंड की अनुपस्थिति में परिवेशी तापमान और दाब पर उसी अभिक्रिया माध्यम में जिंक एसीटेट को H3BTC के साथ मिलाने से कोई उत्पाद प्राप्त नहीं हुआ, इसलिए यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि MOF 1 के निर्माण के दौरान सोनिकेशन महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।
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धातु-कार्बनिक ढाँचों का सोनोकेमिकल मार्ग से प्रभावी ढंग से संश्लेषण किया जा सकता है
साहित्य / संदर्भ
- 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.