Preparasi Kerangka Logam–Organik (MOF) dengan Ultrasonik

• Kerangka logam–organik adalah senyawa yang terbentuk dari ion logam dan molekul organik sehingga menghasilkan material hibrida berdimensi satu, dua, atau tiga. Struktur hibrida ini dapat berpori atau tidak berpori dan menawarkan beragam fungsi.
• Sintesis sonokimia MOF merupakan teknik yang menjanjikan karena kristal logam–organik dihasilkan dengan sangat efisien dan ramah lingkungan.
• Produksi MOF dengan ultrasonik dapat ditingkatkan skalanya secara linier dari preparasi sampel kecil di laboratorium hingga produksi komersial penuh.

Kerangka Logam–Organik

Kerangka logam–organik (MOF) kristalin termasuk dalam kategori material berpori berpotensi tinggi, yang dapat digunakan dalam penyimpanan gas, adsorpsi/pemisahan, katalisis, sebagai adsorben, dalam magnetisme, perancangan sensor, dan penghantaran obat. MOF biasanya terbentuk melalui perakitan mandiri, ketika unit penyusun sekunder (SBU) terhubung dengan penghubung organik (ligan) untuk membentuk jaringan kompleks. Penghubung organik atau SBU logam dapat dimodifikasi untuk mengendalikan porositas MOF, yang sangat penting bagi fungsi dan kegunaannya dalam aplikasi tertentu.

Sintesis Sonokimia MOF

Iradiasi ultrasonik dan kavitasi yang dihasilkannya dikenal luas karena efek uniknya pada reaksi kimia, yang dikenal sebagai sonokimia. Implosi hebat gelembung kavitasi menghasilkan titik panas lokal dengan suhu transien yang sangat tinggi (5000 K), tekanan (1800 atm), dan laju pendinginan (10¹⁰Ks^-1) serta gelombang kejut dan semburan cairan yang dihasilkannya. Pada titik panas kavitasi ini, nukleasi dan pertumbuhan kristal, misalnya melalui pematangan Ostwald, dipicu dan ditingkatkan. Namun, ukuran partikel terbatas karena titik panas tersebut memiliki laju pendinginan ekstrem, yang berarti suhu medium reaksi turun dalam hitungan milidetik.
Ultrasonik diketahui dapat menyintesis MOF dengan cepat dalam kondisi proses yang ringan, seperti tanpa pelarut, pada suhu kamar dan tekanan lingkungan. Penelitian menunjukkan bahwa MOF dapat diproduksi secara hemat biaya dengan rendemen tinggi melalui jalur sonokimia. Terakhir, sintesis sonokimia MOF merupakan metode hijau yang ramah lingkungan.

Preparasi MOF-5

Dalam penelitian Wang et al (2011), Zn₄O[1,4-benzenedicarboxylate]₃ disintesis melalui jalur sonokimia. Sebanyak 1,36g H₂BDC dan 4,84g Zn(NO₃)₂·6H₂O mula-mula dilarutkan dalam 160mL DMF. Kemudian 6,43g TEA ditambahkan ke dalam campuran selama iradiasi ultrasonik. Setelah 2 h, endapan tak berwarna dikumpulkan melalui filtrasi dan dicuci dengan DMF. Padatan dikeringkan pada 90°C dalam kondisi vakum, lalu disimpan dalam desikator vakum.

Preparasi MOF Mikropori Cu₃(BTC)₂

Li et al. (2009) melaporkan sintesis ultrasonik yang efisien untuk kerangka logam–organik (MOF) tiga dimensi (3-D) dengan saluran 3-D, seperti Cu₃(BTC)₂ (HKUST-1, BTC = benzena-1,3,5-trikarboksilat). Reaksi tembaga(II) asetat dan H₃BTC dalam larutan campuran DMF/EtOH/H₂O (3:1:2, v/v) di bawah iradiasi ultrasonik pada suhu lingkungan dan tekanan atmosfer selama waktu reaksi yang singkat (5–60 min) menghasilkan Cu₃(BTC)₂ dengan rendemen tinggi (62,6–85,1%). Nanokristal Cu₃(BTC)₂ ini memiliki dimensi dalam rentang ukuran 10–200 nm, yang jauh lebih kecil daripada yang disintesis menggunakan metode solvotermal konvensional. Tidak ada perbedaan signifikan dalam sifat fisikokimia, misalnya luas permukaan BET, volume pori, dan kapasitas penyimpanan hidrogen, antara nanokristal Cu₃(BTC)₂ yang dipreparasi menggunakan metode ultrasonik dan mikrokristal yang diperoleh menggunakan metode solvotermal yang disempurnakan. Dibandingkan dengan teknik sintesis tradisional, seperti teknik difusi pelarut, metode hidrotermal dan solvotermal, metode ultrasonik untuk pembentukan MOF berpori terbukti sangat efisien dan lebih ramah lingkungan.

Preparasi MOF Mg(II) Satu Dimensi

Tahmasian et al. (2013) melaporkan jalur yang efisien, berbiaya rendah, dan ramah lingkungan untuk menghasilkan kerangka logam–organik (MOF) supramolekuler 3D berbasis MgII, {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_n (H3L = asam 4,5-imidazol-dikarboksilat) dengan menggunakan jalur berbantuan ultrasonik.
{[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_n berstruktur nano disintesis melalui jalur sonokimia berikut. Untuk mempreparasi {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H₂O}n (1) berukuran nano, ke dalam 20 mL larutan ligan H₃IDC (0,05M) dan kalium hidroksida (0,1 M) ditempatkan probe ultrasonik berdensitas tinggi dengan daya keluaran maksimum 305 W. Ke dalam larutan ini ditambahkan tetes demi tetes 20 mL larutan magnesium nitrat (0,05M) dalam air. Endapan yang diperoleh dipisahkan dengan penyaringan, dicuci dengan air dan etanol, lalu dikeringkan di udara (titik leleh > 300ºC. (Ditemukan: C, 24,84; H, 3,22; N, 11,67%.). IR (cm^-1) pita terpilih: 3383 (w), 3190 (w), 1607 (br), 1500 (m), 1390 (s), 1242 (m), 820 (m), 652 (m)).
Untuk mempelajari pengaruh konsentrasi reagen awal terhadap ukuran dan morfologi senyawa berstruktur nano, proses di atas dilakukan dengan kondisi konsentrasi reagen awal berikut: [HL2−] = [Mg2+] = 0,025 M.

Sonosintesis MOF Mikropori Fluoresen

Qiu et al. (2008) menemukan jalur sonokimia untuk sintesis cepat MOF mikropori fluoresen, Zn₃(BTC)₂⋅12H₂O (1) dan deteksi selektif organoamina menggunakan nanokristal senyawa 1. Hasilnya menunjukkan bahwa sintesis ultrasonik merupakan pendekatan yang sederhana, efisien, berbiaya rendah, dan ramah lingkungan untuk menghasilkan MOF berskala nano.
MOF 1 disintesis menggunakan metode ultrasonik pada suhu lingkungan dan tekanan atmosfer dengan waktu reaksi yang berbeda, masing-masing 5, 10, 30, dan 90 min. Percobaan kontrol juga dilakukan untuk menyintesis senyawa 1 menggunakan metode hidrotermal, dan strukturnya dikonfirmasi melalui IR, analisis unsur, serta analisis Rietveld terhadap pola difraksi sinar-X (XRD) serbuk menggunakan WinPLOTR dan Fullprof¹³. Secara mengejutkan, reaksi seng asetat dihidrat dengan asam benzena-1,3,5-trikarboksilat (H₃BTC) dalam etanol 20% dalam air (v/v) di bawah iradiasi ultrasonik pada suhu dan tekanan lingkungan selama 5 min menghasilkan senyawa 1 dengan rendemen yang sangat tinggi (75,3%, berdasarkan H₃BTC). Selain itu, rendemen senyawa 1 meningkat secara bertahap dari 78,2% menjadi 85,3% seiring bertambahnya waktu reaksi dari 10 menjadi 90 min. Hasil ini menunjukkan bahwa sintesis cepat MOF dapat diwujudkan dengan rendemen yang sangat tinggi menggunakan sonikasi. Dibandingkan dengan sintesis hidrotermal senyawa MOF 1 yang sama, yang dilakukan pada 140°C dengan tekanan tinggi selama 24 h, sintesis ultrasonik terbukti sebagai metode yang sangat efisien dengan rendemen tinggi dan biaya rendah.
Karena tidak ada produk yang diperoleh dengan mencampurkan seng asetat dengan H3BTC dalam medium reaksi yang sama pada suhu dan tekanan lingkungan tanpa ultrasonik, dapat disimpulkan bahwa sonikasi memainkan peran penting selama pembentukan MOF 1.
 

Sintesis mudah struktur supramolekuler menggunakan sonikasi – baca selengkapnya!

Temukan Peralatan Sonokimia Terbaik untuk Proses Anda!

Hielscher Ultrasonics memiliki pengalaman panjang dalam merancang dan memproduksi sonikator ultrasonik serta reaktor sonokimia yang bertenaga dan andal. Hielscher memenuhi kebutuhan aplikasi Anda dengan beragam perangkat ultrasoniknya – mulai dari perangkat laboratorium kecil hingga sonikator ultrasonik tipe meja dan skala pilot , sampai sistem industri penuh untuk produksi sonokimia pada skala komersial. Beragam sonotrode, booster, reaktor, sel alir, kotak peredam kebisingan, dan aksesori memungkinkan konfigurasi susunan peralatan yang optimal untuk reaksi sonokimia Anda. Sonikator Hielscher sangat tangguh, dirancang untuk pengoperasian 24/7, dan hanya memerlukan sedikit sekali perawatan.