Ultrazvučna priprema metalno-organskih okvira (MOFs)
- Metalno-organski okviri su spojevi formirani od metalnih iona i organskih molekula tako da se stvara jedno-, dvo- ili trodimenzionalni hibridni materijal. Ove hibridne strukture mogu biti porozne ili neporozne i nude mnogostruku funkcionalnost.
- Sonokemijska sinteza MOF-ova je tehnika koja obećava budući da se metalno-organski kristali proizvode vrlo učinkovito i ekološki prihvatljivo.
- Ultrazvučna proizvodnja MOF-a može se linearno povećati od pripreme malih uzoraka u laboratoriju do pune komercijalne proizvodnje.
metal-organski okviri
Kristalni metal-organski okviri (MOF) spadaju u kategoriju poroznih materijala visokog potencijala, koji se mogu koristiti u skladištenju plina, adsorpciji/separaciji, katalizi, kao adsorbenti, u magnetizmu, dizajnu senzora i isporuci lijekova. MOF-ovi se obično formiraju samosastavljanjem gdje se sekundarne građevne jedinice (SBU) povezuju s organskim odstojnicima (ligandima) kako bi se stvorile složene mreže. Organski odstojnici ili metalni SBU-ovi mogu se modificirati kako bi se kontrolirala poroznost MOF-a, što je ključno za njegove funkcionalnosti i njegovu korisnost za određene primjene.
Sonokemijska sinteza MOF-a
Ultrazvučno zračenje i time stvoreni kavitacija dobro su poznati po svojim jedinstvenim učincima na kemijske reakcije, poznatiji kao Sonokemija. Snažna implozija kavitacijskih mjehurića stvara lokalizirane vruće točke s izrazito visokim prijelaznim temperaturama (5000 K), pritiscima (1800 atm) i brzinama hlađenja (1010Ks-1) kao i udarni valovi i rezultirajući mlaz tekućine. Kod ovih kavitacijski vruće točke, nukleacija i rast kristala, npr. Ostwaldovim sazrijevanjem, inducira se i pospješuje. Međutim, veličina čestica je ograničena jer te vruće točke karakteriziraju ekstremne brzine hlađenja što znači da temperatura reakcijskog medija pada unutar milisekundi.
Poznato je da ultrazvuk sintetizira MOF brzo pod, ispod blaga uvjeti procesa, kao npr bez otapala, na sobna temperatura i pod tlak okoline. Studije su pokazale da se MOF mogu proizvesti isplativo na visok prinos sonokemijskim putem. Konačno, sonokemijski sinteza MOF-ova je a zelena, ekološki prihvatljiva metoda.
Priprema MOF-5
U studiji Wanga i suradnika (2011.), Zn4O[1,4-benzendikarboksilat]3 je sintetiziran putem sonokemijski ruta. 1,36 g H2BDC i 4,84 g Zn (NO3)2·6H2O su inicijalno otopljeni u 160 mL DMF. Zatim je 6,43 g TEA dodano u smjesu pod ultrazvučnim zračenjem. Nakon 2 sata bezbojni talog je sakupljen filtracijom i ispran DMF-om. Krutina je osušena na 90°C u vakuumu i zatim pohranjena u vakuumski eksikator.
Priprema mikroporoznog MOF Cu3(BTC)2
Li et al. (2009) izvješćuju o učinkovitoj ultrazvučnoj sintezi trodimenzionalnog (3-D) metalno-organskog okvira (MOF) s 3-D kanalima, kao što je Cu3(BTC)2 (HKUST-1, BTC = benzen-1,3,5-trikarboksilat). Reakcija bakrenog acetata i H3BTC u miješanoj otopini DMF/EtOH/H2O (3:1:2, v/v) pod ultrazvučnim zračenjem pri sobna temperatura i atmosferski pritisak za kratko vrijeme reakcije (5–60 min) dao je Cu3(BTC)2 U visok prinos (62,6–85,1%). Ovi Cu3(BTC)2 nano-kristali imaju dimenzije u rasponu veličina od 10-200 nm, što je mnogo manji od onih sintetiziranih konvencionalnom solvotermalnom metodom. Nije bilo značajnih razlika u fizikalno-kemijskim svojstvima, npr. BET površini, volumenu pora i kapacitetu skladištenja vodika, između Cu3(BTC)2 nanokristali dobiveni ultrazvučnom metodom i mikrokristali dobiveni poboljšanom solvotermalnom metodom. U usporedbi s tradicionalnim sintetskim tehnikama, kao što je tehnika difuzije otapala, hidrotermalne i solvotermalne metode, pokazalo se da je ultrazvučna metoda za konstrukciju poroznih MOF-ova vrlo učinkovita. Učinkovit i ekološki prihvatljiviji.
Priprema jednodimenzionalnog Mg(II) MOF-a
Tahmasian i sur. (2013) izvješće an Učinkovit, niska cijena, i ekološki prihvatljivo put za proizvodnju 3D supramolekularnog metal-organskog okvira (MOF) temeljenog na MgII, {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H2O}N (H3L = 4,5-imidazol-dikarboksilna kiselina) korištenjem ultrazvučno potpomognute rute.
Nanostrukturirani {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H2O}N je sintetiziran putem sljedećeg sonokemijski ruta. Za pripremu nanoveličine {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H2O}n (1), 20 mL otopine liganda 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) odabrani pojasevi: 3383 (š), 3190 (š), 1607 (br), 1500 (m), 1390 (s), 1242 (m), 820 (m), 652 (m)).
Za proučavanje učinka koncentracije početnih reagensa na veličinu i morfologiju nanostrukturnog spoja, gore navedeni procesi su provedeni pod sljedećim uvjetima koncentracije početnih reagensa: [HL2−] = [Mg2+] = 0,025 M.
Sono-Sinteza fluorescentnih mikroporoznih MOF-ova
Qiu i sur. (2008) pronašli su a sonokemijski put za brzu sintezu fluorescentnog mikroporoznog MOF-a, Zn3(BTC)2⋅12H2O (1) i selektivno detektiranje organoamina pomoću nanokristala 1. Rezultati otkrivaju da ultrazvučni sinteza je jednostavan, učinkovit, jeftin i ekološki prihvatljiv pristup MOF-ovima na nanomjernoj razini.
MOF 1 sintetiziran je ultrazvučnom metodom na an ambijentalni temperatura i atmosferski tlak za različita reakcijska vremena od 5, 10, 30, odnosno 90 min. Također je proveden kontrolni eksperiment za sintetiziranje spoja 1 hidrotermalnom metodom, a strukture su potvrđene IR, elementarnom analizom i Rietveld analizom uzoraka difrakcije X-zraka praha (XRD) koristeći WinPLOTR i Fullprof13. Iznenađujuće, reakcija cink acetat dihidrata s benzen-1,3,5-trikarboksilnom kiselinom (H3BTC) u 20% etanola u vodi (v/v) pod ultrazvučnim zračenjem na sobnoj temperaturi i tlaku tijekom 5 minuta dao je 1 u nevjerojatno visok prinos (75,3%, temeljeno na H3BTC). Također, iskorištenje 1 postupno je poraslo sa 78,2% na 85,3% s povećanjem vremena reakcije s 10 na 90 min. Ovaj rezultat sugerira da brza sinteza MOF-a može se ostvariti u značajnoj mjeri visok prinos pomoću ultrazvučne metode. U usporedbi s hidrotermalnom sintezom istog spoja MOF 1, koja se provodi na 140°C pri visokom tlaku tijekom 24 sata,12 ultrazvučna sinteza pokazala se vrlo učinkovitom metodom s visokim prinosom i niska cijena.
Budući da nikakav produkt nije dobiven miješanjem cink acetata s H3BTC u istom reakcijskom mediju na temperaturi i tlaku okoline u odsutnosti ultrazvuka, sonikacija mora igrati važno uloga tijekom formiranja MOF 1.
Ultrazvučni procesi: Od laboratorija do industrijski Skala
sonokemijska oprema
Hielscher Ultrasonics ima dugogodišnje iskustvo u dizajnu i proizvodnji snažnih i pouzdanih ultrazvučnih uređaja i sonokemijskih reaktora. Hielscher pokriva vaše zahtjeve primjene svojim širokim rasponom ultrazvučnih uređaja – od malih laboratorijski uređaji nad Bench-Top i pilot ultrazvučni uređaji do puneindustrijski sustavi za sonokemijsku proizvodnju u komercijalnim razmjerima. Veliki izbor sonotroda, pojačivača, reaktora, protočnih ćelija, kutija za poništavanje buke i dodataka omogućuje konfiguriranje optimalnog postavljanja za vaš sonokemijski reakcija. Hielscherovi ultrazvučni uređaji vrlo su Robustan, izgrađen za 24/7 rada i zahtijevaju vrlo malo održavanja.
Metalno-organski okviri mogu se učinkovito sintetizirati sonokemijskim putem
ultrazvučni uređaj UIP1000hd sa sonokemijskim reaktorom
Literatura/Reference
- Dey, Chandan; Kundu, Tanay; Biswal, Bishnu P.; Mallick, Arijit; Banerjee, Rahul (2014.): Kristalni metal-organski okviri (MOF): sinteza, struktura i funkcija. Acta Crystallographica Sekcija B 70, 2014. 3-10.
- Hašemi, Lida; Morsali, Ali; Yilmaz, Veysel T.; Büyükgüngor, Orhan; Khavasi, Hamid Reza; Ashouri, Fatemeh; Bagherzadeh, Mojtaba (2014.): Sonokemijske sinteze dva metalno-organska okvira olova(II) nano veličine; primjena za katalizu i pripravu nanočestica olovova(II) oksida. Journal of Molecular Structure 1072, 2014. 260-266.
- Li, Zong-Qun; Qiu, Ling-Guang; Xu, Tao; Wu, Yun; Wang, Wei; Wu, Zhen-Yu; Jiang, Xia (2009.): Ultrazvučna sinteza mikroporoznog metalno-organskog okvira Cu3(BTC)2 na temperaturi i tlaku okoline: učinkovita i ekološki prihvatljiva metoda. Materijali Pisma 63/1, 2009. 78-80.
- Qiu, Ling-Guang; Li, Zong-Qun; Wu, Yun; Wang, Wei; Xu, Tao; Jiang, Xia (2008.): Lagana sinteza nanokristala mikroporoznog metalno-organskog okvira ultrazvučnom metodom i selektivnim senzorom organoamina. Chemical Communication 2008, 3642–3644.
- Stock, Norbert; Biswas, Syam (2012.): Sinteza metalno-organskih okvira (MOF): putevi do različitih MOF topologija, morfologija i kompozita. Chemical Review 112/2, 2012. 933–969.
- Suslick, Kenneth S. (ur.) (1988.): Ultrazvuk: njegovi kemijski, fizički i biološki učinci. VCH: Weinheim, Njemačka. 1988. godine.
- Tahmasian, Arineh; Morsali, Ali; Joo, Sang Woo (2013.): Sonokemijske sinteze jednodimenzionalnog Mg(II) metalno-organskog okvira: novi prekursor za pripremu jednodimenzionalne nanostrukture MgO. Časopis za nanomaterijale 2013.
- Thompson, Joshua A.; Chapman, Karena W.; Koros, William J.; Jones, Christopher W.; Nair, Sankar (2012): Ostwaldovo sazrijevanje ZIF-8 nanočestica izazvano ultrazvukom i formiranje kompozitnih membrana ZIF-8/polimer. Mikroporozni i mezoporozni materijali 158, 2012. 292-299.
- Wang, LiPing; Xiao, Bin; Wang, GongYing; Wu, JiQian (2011.): Sinteza polikarbonatnog diola katalizirana metal-organskim okvirom Zn4O[CO2-C6H4-CO2]3. Science China Chemistry 54/9, 2011. 1468-1473.