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金属有機フレームワーク(MOF)の超音波調製

  • 金属有機フレームワークは、金属イオンと有機分子から形成される化合物で、1次元、2次元、3次元のハイブリッド材料が作られる。これらのハイブリッド構造は多孔質であったり、非多孔質であったりし、多様な機能性を提供する。
  • MOFの超音波化学合成は、有機金属結晶が非常に効率的に、かつ環境に優しく生成されるため、有望な技術である。
  • MOFの超音波製造は、研究室での小さなサンプルの調製から完全な商業生産まで、直線的にスケールアップすることができる。

有機金属骨格

結晶性有機金属骨格（MOF）は、ガス貯蔵、吸着・分離、触媒作用、吸着剤、磁性、センサー設計、薬物送達などに利用できる、潜在能力の高い多孔性材料のカテゴリーに入る。MOFは通常、二次構成単位（SBU）が有機スペーサー（配位子）と結合して複雑なネットワークを形成する自己組織化によって形成される。有機スペーサーや金属SBUは、MOFの多孔性を制御するために変更することができる。

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超音波処理によりナノ粒子のボトムアップ合成が向上。

プローブ型ソニケーター – ここではHielscherモデルUP400St – MOFのようなナノ構造の合成を容易にする。

MOFのソノケミカル合成

超音波照射とそれによって発生するキャビテーションは、ソノケミストリーとして知られる化学反応に対するユニークな効果でよく知られている。キャビテーション気泡の激しい爆縮により、局所的なホットスポットが発生し、過渡的な温度（5000K）、圧力（1800atm）、冷却速度（1010KS-1)および衝撃波とその結果生じる液体ジェット。これらのキャビテーショナルホットスポットでは、オストワルド熟成などによる結晶の核生成と成長が誘導・促進される。しかし、これらのホットスポットは、反応媒体の温度がミリ秒以内に低下することを意味する極端な冷却速度によって特徴付けられるため、粒子径は制限される。
超音波は、無溶媒、室温、常圧といった穏やかなプロセス条件下で、MOFを迅速に合成することが知られている。研究により、MOFは超音波化学的経路で高い収率でコスト効率よく製造できることが示されている。最後に、MOFの超音波化学合成は、環境に優しいグリーンな方法である。

MOF-5の調製

Wangら（2011）の研究では、Zn4O［1,4-ベンゼンジカルボキシレート］3 をソノケミカルルートで合成した。1.36g H2BDCと4.84gのZn(NO)3)2-6H2Oを160mLのDMFに溶解した。次に、6.43gのTEAを超音波照射下で混合物に加えた。2時間後、無色の沈殿物を濾過して集め、DMFで洗浄した。固体を90℃で真空乾燥し、真空デシケーターに保存した。

マイクロポーラスMOF Cuの調製3(BTC)2

バッチまたはインライン超音波処理用高出力プローブ付き1000ワットプローブソニケーターUIP1000hdTLiら(2009)は、3次元チャンネルを持つ3次元有機金属骨格(MOF)の効率的な超音波合成を報告している。3(BTC)2 (HKUST-1、BTC＝ベンゼン-1,3,5-トリカルボン酸）。酢酸銅とH3DMF/EtOH/Hの混合溶液中のBTC2O（3:1:2、v/v）、超音波照射下、以下の条件で行った。 周囲温度 そして 大気圧 にとって 短反応時間 (5-60分)でCu3(BTC)2 で 高収量 (62.6-85.1%).これらの銅3(BTC)2 ナノ結晶の大きさは10～200nmの範囲にあり、その大きさははるかに大きい。 より小さい は、従来のソルボサーマル法で合成されたものよりも優れていた。物理化学的特性（BET比表面積、細孔容積、水素貯蔵容量など）には、Cu3(BTC)2 超音波法を用いて調製したナノ結晶と、改良ソルボサーマル法を用いて得た微結晶。従来の合成技術である溶媒拡散法、水熱法、ソルボサーマル法と比較して、超音波法による多孔性MOFの構築は、非常に高いことがわかった。 効率的 そして より環境に優しい.

一次元Mg(II)MOFの調製

Tahmasianら(2013)は、次のように報告している。 効率的, 低コストそして 環境にやさしい をベースとした3次元超分子有機金属骨格（MOF）を作製する経路を開発した。2O)2]⋅1.5H2O}N (H3L＝4,5-イミダゾールジカルボン酸）を超音波アシスト法で合成した。
ナノ構造{[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H2O}N を以下の超音波化学的経路で合成した。ナノサイズの{[Mg(HIDC)(H2O)2]・1.5H2O}n (1)、20 mLの配位子H3IDC（0.05M）と水酸化カリウム（0.1M）を最大出力305Wの高密度超音波プローブにセットし、この溶液に硝酸マグネシウム（0.05M）の水溶液20mLを滴下した。得られた沈殿物を濾別し、水とエタノールで洗浄した後、風乾した（m.p.> 300℃）（Found: C, 24.84; H, 3.22; N, 11.67%）。IR (cm-1)のバンドを選択した：3383 (w), 3190 (w), 1607 (br), 1500 (m), 1390 (s), 1242 (m), 820 (m), 652 (m)).
ナノ構造化合物のサイズとモルフォロジーに対する初期試薬の濃度の影響を調べるために、上記のプロセスは以下の初期試薬の濃度条件下で行われた：[HL2-] = [Mg2+] = 0.025 M。

蛍光性マイクロポーラスMOFのソノ合成

Qiuら（2008）は、蛍光性マイクロポーラスMOFであるZn3(BTC)2⋅12H2その結果、超音波合成が、ナノスケールMOFへの、シンプルで効率的、低コストで環境に優しいアプローチであることが明らかになった。
MOF1は、常温、大気圧で、それぞれ5分、10分、30分、90分の異なる反応時間で超音波法を用いて合成した。対照実験として、水熱法を用いて化合物1を合成し、IR、元素分析、およびWinPLOTRとFullprofを用いた粉末X線回折（XRD）パターンのリートベルト解析によって構造を確認した。13.驚くべきことに、酢酸亜鉛二水和物とベンゼン-1,3,5-トリカルボン酸（H3BTC)を20%水中エタノール(v/v)に溶解し、常温常圧で超音波照射を5分間行ったところ、非常に高い収率(75.3%, H3BTC）を得た。また、反応時間を10分から90分に延ばすと、1の収率は78.2%から85.3%へと徐々に増加した。この結果は、超音波処理を用いることで、MOFの迅速合成が著しく高い収率で実現できることを示唆している。同じ化合物であるMOF1の水熱合成（140℃、高圧、24時間）と比較すると、超音波合成は高収率で低コストな高効率合成法であることがわかった。
酢酸亜鉛とH3BTCを常温・常圧の同じ反応媒質中で超音波をかけずに混合しても生成物は得られなかったことから、超音波照射はMOF 1の形成に重要な役割を果たしていると結論づけることができる。
 

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超音波照射で金属有機骨格（MOF）を形成できる（クリックで拡大）

ソノケミカルルートで金属有機骨格を効率的に合成できる

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