მეტალორგანული კარკასების (MOFs) ულტრაბგერითი მომზადება

• მეტალორგანული კარკასები არის მეტალის იონებისა და ორგანული მოლეკულებისგან წარმოქმნილი ნაერთები, რომლებშიც იქმნება ერთ-, ორ- ან სამგანზომილებიანი ჰიბრიდული მასალა. ეს ჰიბრიდული სტრუქტურები შეიძლება იყოს ფოროვანი ან არაფოროვანი და მრავალფეროვანი ფუნქციური შესაძლებლობები ჰქონდეს.
• MOF-ების სონოქიმიური სინთეზი პერსპექტიული მეთოდია, რადგან მეტალორგანული კრისტალები მეტად ეფექტიანად და გარემოსთვის უვნებლად მიიღება.
• MOF-ების ულტრაბგერითი წარმოების მასშტაბი შეიძლება წრფივად გაიზარდოს ლაბორატორიაში მცირე ნიმუშების მომზადებიდან სრულმასშტაბიან კომერციულ წარმოებამდე.

მეტალორგანული კარკასები

კრისტალური მეტალორგანული კარკასები (MOFs) მიეკუთვნება დიდი პოტენციალის მქონე ფოროვანი მასალების კატეგორიას. მათი გამოყენება შესაძლებელია აირების შესანახად, ადსორბციისთვის/განცალკევებისთვის, კატალიზში, ადსორბენტებად, მაგნეტიზმში, სენსორების შესაქმნელად და სამკურნალო ნივთიერებების მისაწოდებლად. MOF-ები, ჩვეულებრივ, თვითაწყობით წარმოიქმნება: მეორეული სტრუქტურული ერთეულები (SBUs) ორგანულ დამაკავშირებელ მოლეკულებს (ლიგანდებს) უკავშირდება და რთულ ქსელებს ქმნის. ორგანული დამაკავშირებელი მოლეკულების ან მეტალური SBU-ების მოდიფიცირებით შესაძლებელია MOF-ის ფორიანობის კონტროლი, რასაც გადამწყვეტი მნიშვნელობა აქვს მისი ფუნქციური შესაძლებლობებისა და კონკრეტული გამოყენების სფეროებისთვის ვარგისიანობის თვალსაზრისით.

MOF-ების სონოქიმიური სინთეზი

ულტრაბგერითი დასხივება და მის შედეგად წარმოქმნილი კავიტაცია კარგად არის ცნობილი ქიმიურ რეაქციებზე განსაკუთრებული ზემოქმედებით, რომელსაც სონოქიმია ეწოდება. კავიტაციური ბუშტუკების მძლავრი ჩაქცევა წარმოქმნის ლოკალურ ცხელ უბნებს უკიდურესად მაღალი ხანმოკლე ტემპერატურებით (5000 K), წნევებით (1800 atm) და გაგრილების სიჩქარეებით (10¹⁰Ks^-1), აგრეთვე დარტყმით ტალღებსა და მათგან წარმოქმნილ სითხის ჭავლებს. ამ კავიტაციურ ცხელ უბნებში იწყება და ძლიერდება კრისტალების ჩანასახების წარმოქმნა და ზრდა, მაგალითად, ოსტვალდის მომწიფების გზით. თუმცა ნაწილაკების ზომა შეზღუდულია, რადგან ამ ცხელ უბნებს გაგრილების უკიდურესად მაღალი სიჩქარე ახასიათებს, რაც ნიშნავს, რომ სარეაქციო გარემოს ტემპერატურა მილიწამებში ეცემა.
ცნობილია, რომ ულტრაბგერის გამოყენებით MOF-ები სწრაფად სინთეზდება პროცესის რბილ პირობებში, მაგალითად, გამხსნელის გარეშე, ოთახის ტემპერატურასა და გარემოს წნევაზე. კვლევებმა აჩვენა, რომ სონოქიმიური გზით MOF-ების მიღება შესაძლებელია ეკონომიურად და მაღალი გამოსავლიანობით. დაბოლოს, MOF-ების სონოქიმიური სინთეზი მწვანე, ეკოლოგიურად უსაფრთხო მეთოდია.

MOF-5-ის მომზადება

Wang-ისა და სხვების (2011) კვლევაში Zn₄O[1,4-benzenedicarboxylate]₃ სონოქიმიური გზით სინთეზირდა. 1,36g H₂BDC და 4,84g Zn(NO₃)₂·6H₂O თავდაპირველად გაიხსნა 160mL DMF-ში. შემდეგ ნარევს ულტრაბგერითი დასხივების პირობებში დაემატა 6,43g TEA. 2 h-ის შემდეგ უფერო ნალექი ფილტრაციით შეგროვდა და DMF-ით გაირეცხა. მყარი ნივთიერება ვაკუუმში 90°C-ზე გაშრა და შემდეგ ვაკუუმურ ექსიკატორში შეინახეს.

მიკროფოროვანი MOF Cu₃(BTC)₂

Li და სხვები (2009) აღწერენ სამგანზომილებიანი (3-D) არხების მქონე სამგანზომილებიანი (3-D) მეტალორგანული კარკასის (MOF) ეფექტიან ულტრაბგერით სინთეზს, მაგალითად, Cu₃(BTC)₂ (HKUST-1, BTC = ბენზოლ-1,3,5-ტრიკარბოქსილატი). სპილენძის(II) აცეტატისა და H₃BTC-ის რეაქციამ DMF/EtOH/H₂O-ის შერეულ ხსნარში (3:1:2, v/v), ულტრაბგერითი დასხივების პირობებში, გარემოს ტემპერატურაზე და ატმოსფერულ წნევაზე მიმდინარეობისას, რეაქციის მოკლე დროებში (5–60 min) წარმოქმნა Cu₃(BTC)₂ მაღალი გამოსავლიანობით (62,6–85,1%). ამ Cu₃(BTC)₂ ნანოკრისტალების ზომები 10–200 nm დიაპაზონშია და ისინი გაცილებით მცირეა ჩვეულებრივი სოლვოთერმული მეთოდით სინთეზირებულ კრისტალებთან შედარებით. ფიზიკურ-ქიმიური თვისებების, მაგალითად, BET ხვედრითი ზედაპირის ფართობის, ფორების მოცულობისა და წყალბადის შენახვის ტევადობის მხრივ მნიშვნელოვანი განსხვავებები არ გამოვლენილა ულტრაბგერითი მეთოდით მომზადებულ Cu₃(BTC)₂ ნანოკრისტალებსა და გაუმჯობესებული სოლვოთერმული მეთოდით მიღებულ მიკროკრისტალებს შორის. სინთეზის ტრადიციულ მეთოდებთან, მაგალითად, გამხსნელის დიფუზიის მეთოდთან, ჰიდროთერმულ და სოლვოთერმულ მეთოდებთან შედარებით, ფოროვანი MOF-ების შესაქმნელი ულტრაბგერითი მეთოდი აღმოჩნდა მეტად ეფექტიანი და გარემოსთვის უფრო უსაფრთხო.

ერთგანზომილებიანი Mg(II) MOF-ის მომზადება

Tahmasian და სხვები (2013) აღწერენ ეფექტიან, დაბალღირებულებიანდა ეკოლოგიურად უსაფრთხო გზას MgII-ზე დაფუძნებული 3D სუპრამოლეკულური მეტალორგანული კარკასის (MOF), {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_n (H3L = 4,5-იმიდაზოლ-დიკარბოქსილის მჟავა), მისაღებად ულტრაბგერით ხელშეწყობილი მეთოდით.
ნანოსტრუქტურირებული {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_n სინთეზირდა შემდეგი სონოქიმიური გზით. ნანოზომის {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H₂O}n (1)-ის მოსამზადებლად 20 mL ხსნარში, რომელიც შეიცავდა ლიგანდ 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) შერჩეული ზოლები: 3383 (w), 3190 (w), 1607 (br), 1500 (m), 1390 (s), 1242 (m), 820 (m), 652 (m)).
ნანოსტრუქტურირებული ნაერთის ზომასა და მორფოლოგიაზე საწყისი რეაგენტების კონცენტრაციის გავლენის შესასწავლად ზემოთ აღწერილი პროცესები ჩატარდა საწყისი რეაგენტების შემდეგი კონცენტრაციებით: [HL2−] = [Mg2+] = 0,025 M.

ფლუორესცენტული მიკროფოროვანი MOF-ების სონოსინთეზი

Qiu-მ და სხვებმა (2008) აღმოაჩინეს ფლუორესცენტული მიკროფოროვანი MOF-ის, Zn₃(BTC)₂⋅12H₂O (1), სწრაფი სინთეზისა და 1-ის ნანოკრისტალებით ორგანული ამინების სელექციური დეტექტირების სონოქიმიური გზა. შედეგები აჩვენებს, რომ ულტრაბგერითი სინთეზი ნანომასშტაბური MOF-ების მისაღებად მარტივი, ეფექტიანი, დაბალღირებულებიანი და ეკოლოგიურად უსაფრთხო მიდგომაა.
MOF 1 სინთეზირდა ულტრაბგერითი მეთოდით გარემოს ტემპერატურასა და ატმოსფერულ წნევაზე, რეაქციის სხვადასხვა დროით, შესაბამისად, 5, 10, 30 და 90 min. ასევე ჩატარდა საკონტროლო ექსპერიმენტი ნაერთი 1-ის ჰიდროთერმული მეთოდით სინთეზისთვის, ხოლო სტრუქტურები დადასტურდა IR-ით, ელემენტური ანალიზითა და ფხვნილის რენტგენული დიფრაქციის (XRD) სურათების რიტველდის ანალიზით WinPLOTR-ისა და Fullprof-ის გამოყენებით¹³. გასაკვირად, თუთიის აცეტატის დიჰიდრატის რეაქციამ ბენზოლ-1,3,5-ტრიკარბოქსილის მჟავასთან (H₃BTC), წყალში ეთანოლის 20%-იან ხსნარში (v/v), ულტრაბგერითი დასხივების პირობებში, გარემოს ტემპერატურასა და წნევაზე, 5 min-ის განმავლობაში, წარმოქმნა 1 საოცრად მაღალი გამოსავლიანობით (75,3%, H₃BTC-ზე გაანგარიშებით). ასევე, რეაქციის დროის 10-დან 90 min-მდე გაზრდისას 1-ის გამოსავლიანობა თანდათან გაიზარდა 78,2%-დან 85,3%-მდე. ეს შედეგი მიუთითებს, რომ ულტრაბგერითი დამუშავებით შესაძლებელია MOF-ის სწრაფი სინთეზი მნიშვნელოვნად მაღალი გამოსავლიანობით. იმავე ნაერთის, MOF 1-ის, ჰიდროთერმულ სინთეზთან შედარებით, რომელიც მიმდინარეობს 140°C-ზე, მაღალი წნევის პირობებში, 24 h-ის განმავლობაში, ულტრაბგერითი სინთეზი მეტად ეფექტიანი მეთოდი აღმოჩნდა მაღალი გამოსავლიანობითა და დაბალი ღირებულებით.
ვინაიდან იმავე სარეაქციო გარემოში, გარემოს ტემპერატურასა და წნევაზე, ულტრაბგერის გარეშე თუთიის აცეტატის H3BTC-თან შერევით პროდუქტი არ მიიღებოდა, შეიძლება დავასკვნათ, რომ ულტრაბგერითი დამუშავება მნიშვნელოვან როლს ასრულებს MOF 1-ის წარმოქმნაში.
 

სუპრამოლეკულური სტრუქტურების მარტივი სინთეზი ულტრაბგერითი დამუშავებით – წაიკითხეთ მეტი!

იპოვეთ საუკეთესო სონოქიმიური მოწყობილობა თქვენი პროცესისთვის!

Hielscher Ultrasonics-ს მძლავრი და საიმედო ულტრაბგერითი აპარატებისა და სონოქიმიური რეაქტორების დაპროექტებისა და წარმოების მრავალწლიანი გამოცდილება აქვს. Hielscher თქვენი გამოყენების მოთხოვნებს ულტრაბგერითი მოწყობილობების ფართო ასორტიმენტით აკმაყოფილებს – მცირე ლაბორატორიული მოწყობილობებიდან დაწყებული, მაგიდის და საპილოტე ულტრაბგერითი აპარატების ჩათვლით, სრულმასშტაბიანსამრეწველო სისტემებამდე კომერციული მასშტაბის სონოქიმიური წარმოებისთვის. სონოტროდების, ამპლიტუდის გამაძლიერებლების, რეაქტორების, გამდინარე უჯრედების, ხმაურის ჩამხშობი ყუთებისა და აქსესუარების დიდი მრავალფეროვნება თქვენი სონოქიმიური რეაქციისთვის ოპტიმალური კონფიგურაციის შერჩევის საშუალებას იძლევა. Hielscher-ის ულტრაბგერითი აპარატები მეტად გამძლეა, განკუთვნილია 24/7 მუშაობისთვის და მხოლოდ ძალიან მცირე ტექნიკურ მომსახურებას საჭიროებს.