Մետաղօրգանական հիմնակմախքների (MOF) ուլտրաձայնային պատրաստում
- Մետաղօրգանական հիմնակմախքները մետաղի իոններից և օրգանական մոլեկուլներից առաջացած միացություններ են, որոնց ձևավորման արդյունքում ստեղծվում է միաչափ, երկչափ կամ եռաչափ հիբրիդային նյութ։ Այս հիբրիդային կառուցվածքները կարող են լինել ծակոտկեն կամ ոչ ծակոտկեն և ունենալ բազմազան գործառույթներ։
- Մետաղօրգանական հիմնակմախքների սոնոքիմիական սինթեզը խոստումնալից մեթոդ է, քանի որ մետաղօրգանական բյուրեղներն արտադրվում են շատ արդյունավետ և էկոլոգիապես բարենպաստ եղանակով։
- Մետաղօրգանական հիմնակմախքների ուլտրաձայնային արտադրության մասշտաբը կարելի է գծայնորեն մեծացնել՝ լաբորատորիայում փոքր նմուշների պատրաստումից մինչև լիարժեք առևտրային արտադրություն։
Մետաղօրգանական հիմնակմախքներ
Բյուրեղային մետաղօրգանական հիմնակմախքները (MOF) պատկանում են մեծ ներուժ ունեցող ծակոտկեն նյութերի դասին, որոնք կարող են օգտագործվել գազերի պահեստավորման, ադսորբցիայի/բաժանման, կատալիզի համար, որպես ադսորբենտներ, մագնիսականության ոլորտում, սենսորների նախագծման և դեղերի հասցեական առաքման մեջ։ Մետաղօրգանական հիմնակմախքները սովորաբար ձևավորվում են ինքնահավաքման միջոցով, որի ընթացքում երկրորդային կառուցվածքային միավորները (SBU) միանում են օրգանական կապող օղակներին (լիգանդներին)՝ ստեղծելով բարդ ցանցեր։ Օրգանական կապող օղակները կամ մետաղական երկրորդային կառուցվածքային միավորները կարելի է փոփոխել՝ մետաղօրգանական հիմնակմախքի ծակոտկենությունը վերահսկելու նպատակով, ինչը վճռորոշ է դրա գործառույթների և որոշակի կիրառություններում օգտակարության համար։
Զոնդային տիպի ուլտրաձայնային սարքերը – այստեղ՝ Hielscher արտադրության UP400St մոդելը – հեշտացնում են այնպիսի նանոկառուցվածքների սինթեզը, ինչպիսիք են մետաղօրգանական հիմնակմախքները։
Մետաղօրգանական հիմնակմախքների սոնոքիմիական սինթեզ
Ուլտրաձայնային ճառագայթումը և դրա առաջացրած կավիտացիան լավ հայտնի են քիմիական ռեակցիաների վրա իրենց յուրահատուկ ազդեցություններով, որոնք հայտնի են որպես սոնոքիմիա։ Կավիտացիոն պղպջակների ուժգին իմպլոզիան առաջացնում է տեղային տաք կետեր՝ չափազանց բարձր կարճատև ջերմաստիճաններով (5000 K), ճնշումներով (1800 atm) և սառեցման արագություններով (1010Ks-1), ինչպես նաև հարվածային ալիքներ և դրանց հետևանքով առաջացող հեղուկի շիթեր։ Այս կավիտացիոն տաք կետերում հարուցվում և խթանվում են բյուրեղների սաղմնավորումն ու աճը, օրինակ՝ Օստվալդյան հասունացման միջոցով։ Սակայն մասնիկների չափը սահմանափակ է, քանի որ այդ տաք կետերը բնութագրվում են սառեցման չափազանց բարձր արագություններով, այսինքն՝ ռեակցիոն միջավայրի ջերմաստիճանն ընկնում է միլիվայրկյանների ընթացքում։
Հայտնի է, որ ուլտրաձայնը հնարավորություն է տալիս արագ սինթեզել մետաղօրգանական հիմնակմախքներ գործընթացի մեղմ պայմաններում, օրինակ՝ առանց լուծիչի, սենյակային ջերմաստիճանում և շրջակա միջավայրի ճնշման տակ։ Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ սոնոքիմիական եղանակով մետաղօրգանական հիմնակմախքներ կարելի է արտադրել տնտեսապես արդյունավետ՝ բարձր ելքով։ Վերջապես, մետաղօրգանական հիմնակմախքների սոնոքիմիական սինթեզը կանաչ, էկոլոգիապես բարենպաստ մեթոդ է։
MOF-5 միացության պատրաստում
Wang և համահեղինակների (2011) ուսումնասիրությունում Zn4O[1,4-benzenedicarboxylate]3 միացությունը սինթեզվել է սոնոքիմիական եղանակով։ 1,36g H2BDC և 4,84g Zn(NO3)2·6H2O նյութերը սկզբում լուծվել են 160mL DMF լուծիչում։ Այնուհետև ուլտրաձայնային ճառագայթման ներքո խառնուրդին ավելացվել է 6,43g TEA։ 2 h անց անգույն նստվածքն առանձնացվել է ֆիլտրմամբ և լվացվել DMF լուծիչով։ Պինդ նյութը չորացվել է վակուումում՝ 90°C ջերմաստիճանում, այնուհետև պահվել վակուումային էքսիկատորում։
Միկրոծակոտկեն մետաղօրգանական հիմնակմախքի պատրաստում՝ Cu3(BTC)2
Li և համահեղինակները (2009) հայտնում են եռաչափ (3-D) անցուղիներով եռաչափ (3-D) մետաղօրգանական հիմնակմախքի (MOF), օրինակ՝ Cu3(BTC)2 (HKUST-1, BTC = benzene-1,3,5-tricarboxylate), արդյունավետ ուլտրաձայնային սինթեզի մասին։ Պղնձի(II) ացետատի և H3BTC միացության ռեակցիան DMF/EtOH/H2O խառը լուծույթում (3:1:2, v/v), ուլտրաձայնային ճառագայթման ներքո՝ շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանում և մթնոլորտային ճնշման տակ ռեակցիայի կարճ տևողությունների դեպքում (5–60 min), տվել է Cu3(BTC)2 միացությունը՝ բարձր ելքով (62,6–85,1%)։ Այս Cu3(BTC)2 նանոբյուրեղների չափերը գտնվում են 10–200 nm միջակայքում, և դրանք շատ ավելի փոքր են քան սովորական սոլվոթերմալ մեթոդով սինթեզվածներինը։ Ֆիզիկաքիմիական հատկությունների, օրինակ՝ BET տեսակարար մակերեսի, ծակոտիների ծավալի և ջրածնի պահեստավորման տարողության առումով էական տարբերություններ չեն եղել ուլտրաձայնային մեթոդով պատրաստված Cu3(BTC)2 նանոբյուրեղների և կատարելագործված սոլվոթերմալ մեթոդով ստացված միկրոբյուրեղների միջև։ Սինթեզի ավանդական մեթոդների, օրինակ՝ լուծիչի դիֆուզիայի մեթոդի, հիդրոթերմալ և սոլվոթերմալ մեթոդների համեմատ՝ ծակոտկեն մետաղօրգանական հիմնակմախքների կառուցման ուլտրաձայնային մեթոդը ճանաչվել է խիստ արդյունավետ և էկոլոգիապես ավելի բարենպաստ.
Միաչափ Mg(II) մետաղօրգանական հիմնակմախքի պատրաստում
Tahmasian և համահեղինակները (2013) նկարագրում են արդյունավետ, ցածրարժեք, և էկոլոգիապես բարենպաստ եղանակ՝ ուլտրաձայնի օժանդակությամբ MgII հիմքով 3D վերմոլեկուլային մետաղօրգանական հիմնակմախք (MOF) ստանալու համար՝ {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H2O}n (H3L = 4,5-imidazole-dicarboxylic acid)։
Նանոկառուցվածքային {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H2O}n միացությունը սինթեզվել է հետևյալ սոնոքիմիական եղանակով։ Նանոչափ {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H2O}n (1) ստանալու համար 20 mL լուծույթի մեջ, որը պարունակում էր H3IDC (0,05M) լիգանդ և կալիումի հիդրօքսիդ (0,1 M), տեղադրվել է բարձր խտության ուլտրաձայնային զոնդ՝ 305 W առավելագույն ելքային հզորությամբ։ Այս լուծույթին կաթիլ առ կաթիլ ավելացվել է 20 mL մագնեզիումի նիտրատի ջրային լուծույթ (0,05M)։ Ստացված նստվածքներն առանձնացվել են ֆիլտրմամբ, լվացվել ջրով և էթանոլով ու չորացվել օդում (հալման ջերմաստիճան> 300ºC. (Հայտնաբերվել է՝ C, 24,84; H, 3,22; N, 11,67%.). ԻԿ (cm-1) ընտրված շերտերը՝ 3383 (w), 3190 (w), 1607 (br), 1500 (m), 1390 (s), 1242 (m), 820 (m), 652 (m))։
Նանոկառուցվածքային միացության չափի և ձևաբանության վրա սկզբնական ռեագենտների կոնցենտրացիայի ազդեցությունն ուսումնասիրելու համար վերոնշյալ գործընթացներն իրականացվել են սկզբնական ռեագենտների կոնցենտրացիայի հետևյալ պայմաններում՝ [HL2−] = [Mg2+] = 0,025 M։
Ֆլուորեսցենտ միկրոծակոտկեն մետաղօրգանական հիմնակմախքների սոնոսինթեզ
Qiu և համահեղինակները (2008) հայտնաբերել են ֆլուորեսցենտ միկրոծակոտկեն մետաղօրգանական հիմնակմախքի՝ Zn3(BTC)2⋅12H2O (1), արագ սինթեզի և 1 միացության նանոբյուրեղների միջոցով օրգանական ամինների ընտրողական հայտնաբերման սոնոքիմիական եղանակ։ Արդյունքները ցույց են տալիս, որ ուլտրաձայնային սինթեզը նանոչափ մետաղօրգանական հիմնակմախքների ստացման պարզ, արդյունավետ, ցածրարժեք և էկոլոգիապես բարենպաստ մոտեցում է։
MOF 1 միացությունը սինթեզվել է ուլտրաձայնային մեթոդով՝ շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանում և մթնոլորտային ճնշման տակ, ռեակցիայի տարբեր տևողություններով՝ համապատասխանաբար 5, 10, 30 և 90 min։ Կատարվել է նաև ստուգիչ փորձ՝ 1 միացությունը հիդրոթերմալ մեթոդով սինթեզելու համար, իսկ կառուցվածքները հաստատվել են ԻԿ սպեկտրոսկոպիայով, տարրային անալիզով և փոշու ռենտգենյան դիֆրակցիայի (XRD) պատկերների Ռիտվելդի վերլուծությամբ՝ օգտագործելով հետևյալ ծրագրերը՝ WinPLOTR և Fullprof13։ Զարմանալիորեն, ցինկի ացետատի դիհիդրատի և benzen-1,3,5-tricarboxylic acid թթվի (H3BTC) ռեակցիան ջրում էթանոլի 20% լուծույթում (v/v), ուլտրաձայնային ճառագայթման ներքո՝ շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանում և ճնշման տակ 5 min տևողությամբ, տվել է 1 միացությունը զգալիորեն բարձր ելքով (75,3%՝ հաշվարկված ըստ H3BTC)։ Բացի այդ, ռեակցիայի տևողությունը 10 min-ից մինչև 90 min մեծացնելիս 1 միացության ելքն աստիճանաբար աճել է 78,2%-ից մինչև 85,3%։ Այս արդյունքը վկայում է, որ ուլտրաձայնային մշակմամբ կարելի է իրականացնել մետաղօրգանական հիմնակմախքի արագ սինթեզ՝ զգալիորեն բարձր ելքով։ Նույն MOF 1 միացության հիդրոթերմալ սինթեզի համեմատ, որն իրականացվում է 140°C ջերմաստիճանում՝ բարձր ճնշման տակ 24 h տևողությամբ, ուլտրաձայնային սինթեզը ճանաչվել է խիստ արդյունավետ մեթոդ՝ բարձր ելքով և ցածր արժեքով։
Քանի որ նույն ռեակցիոն միջավայրում՝ շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանում և ճնշման տակ, առանց ուլտրաձայնի ցինկի ացետատը H3BTC միացության հետ խառնելիս որևէ արտադրանք չի ստացվել, կարելի է եզրակացնել, որ ուլտրաձայնային մշակումը կարևոր դեր է խաղում MOF 1 միացության ձևավորման ընթացքում։
Վերմոլեկուլային կառուցվածքների հեշտ սինթեզ ուլտրաձայնային մշակմամբ – կարդացե՛ք ավելին։
Գտե՛ք լավագույն սոնոքիմիական սարքավորումը ձեր գործընթացի համար։
Hielscher Ultrasonics ընկերությունը հզոր և հուսալի ուլտրաձայնային սարքերի ու սոնոքիմիական ռեակտորների նախագծման և արտադրության երկարամյա փորձ ունի։ Hielscher ընկերությունը բավարարում է ձեր կիրառության պահանջները ուլտրաձայնային սարքերի իր լայն տեսականու միջոցով՝ փոքր լաբորատոր սարքերից անցնելով սեղանադիր և փորձնական արտադրության ուլտրաձայնային սարքերի՝ ընդհուպ մինչև լիարժեք արդյունաբերական համակարգեր ՝ առևտրային մասշտաբով սոնոքիմիական արտադրության համար։ Սոնոտրոդների, ամպլիտուդի ուժեղացուցիչների, ռեակտորների, հոսքային բջիջների, աղմուկամեկուսիչ պատյանների և պարագաների մեծ բազմազանությունը թույլ է տալիս կազմաձևել ձեր սոնոքիմիական ռեակցիայի համար օպտիմալ կայանքը։ Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը շատ ամուր են, նախատեսված են 24/7 աշխատանքի համար և պահանջում են միայն շատ քիչ տեխնիկական սպասարկում։
Մետաղօրգանական հիմնակմախքները կարելի է արդյունավետորեն սինթեզել սոնոքիմիական եղանակով
Գրականություն / Հղումներ
- 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.