Metālorganisko karkasu (MOF) iegūšana ar ultraskaņu

• Metālorganiskie karkasi ir savienojumi, kas veidojas no metālu joniem un organiskām molekulām, radot viendimensionālu, divdimensionālu vai trīsdimensionālu hibrīdmateriālu. Šīs hibrīdstruktūras var būt porainas vai neporainas, un tām piemīt daudzveidīgas funkcijas.
• MOF sonoķīmiskā sintēze ir daudzsološa metode, jo metālorganiskie kristāli tiek iegūti ļoti efektīvi un videi draudzīgi.
• MOF ražošanu ar ultraskaņu var lineāri mērogot no nelielu paraugu sagatavošanas laboratorijā līdz pilna mēroga komerciālai ražošanai.

Metālorganiskie karkasi

Kristāliskie metālorganiskie karkasi (MOF) pieder pie porainiem materiāliem ar lielu potenciālu, kurus var izmantot gāzu uzglabāšanā, adsorbcijā/atdalīšanā, katalīzē, kā adsorbentus, magnētisma jomā, sensoru izstrādē un zāļu piegādē. MOF parasti veidojas pašorganizācijas procesā, kurā sekundārās struktūrvienības (SBU) savienojas ar organiskiem savienotājiem (ligandiem), veidojot sarežģītus tīklus. Organiskos savienotājus vai metāliskās SBU var modificēt, lai kontrolētu MOF porainību, kas ir izšķiroši svarīga tā funkcijām un piemērotībai konkrētiem lietojumiem.

MOF sonoķīmiskā sintēze

Ultraskaņas iedarbība un tās radītā kavitācija ir labi pazīstamas ar savu unikālo ietekmi uz ķīmiskajām reakcijām, ko dēvē par sonoķīmiju. Kavitācijas burbuļu straujā implozija rada lokālus karstos punktus ar ārkārtīgi augstu īslaicīgu temperatūru (5000 K), spiedienu (1800 atm) un dzesēšanas ātrumu (10¹⁰Ks^-1), kā arī triecienviļņus un to radītas šķidruma strūklas. Šajos kavitācijas karstajos punktos tiek ierosināta un veicināta kristālu kodolu veidošanās un augšana, piemēram, Ostvalda nobriešanas procesā. Tomēr daļiņu izmērs ir ierobežots, jo šiem karstajiem punktiem raksturīgs ārkārtīgi liels dzesēšanas ātrums, kas nozīmē, ka reakcijas vides temperatūra pazeminās milisekunžu laikā.
Ir zināms, ka ar ultraskaņu MOF var sintezēt ātri saudzīgos procesa apstākļos, piemēram, bez šķīdinātāja, istabas temperatūrā un apkārtējās vides spiedienā. Pētījumi liecina, ka ar sonoķīmisko metodi MOF var iegūt ekonomiski izdevīgi un ar augstu iznākumu. Visbeidzot, MOF sonoķīmiskā sintēze ir zaļa, videi draudzīga metode.

MOF-5 iegūšana

Wang un līdzautoru (2011) pētījumā Zn₄O[1,4-benzenedicarboxylate]₃ tika sintezēts ar sonoķīmisko metodi. 1,36g H₂BDC un 4,84g Zn(NO₃)₂·6H₂O sākotnēji izšķīdināja 160mL DMF. Pēc tam maisījumam ultraskaņas iedarbībā pievienoja 6,43g TEA. Pēc 2 h bezkrāsainās nogulsnes savāca filtrējot un mazgāja ar DMF. Cieto vielu žāvēja vakuumā 90°C temperatūrā un pēc tam uzglabāja vakuuma eksikatorā.

Mikroporainā MOF iegūšana: Cu₃(BTC)₂

Li un līdzautori (2009) ziņo par efektīvu trīsdimensionāla (3-D) metālorganiskā karkasa (MOF) ar 3-D kanāliem, piemēram, Cu₃(BTC)₂ (HKUST-1, BTC = benzol-1,3,5-trikarboksilāts), sintēzi ar ultraskaņu. Vara(II) acetāta un H₃BTC reakcijā DMF/EtOH/H₂O šķīdinātāju maisījumā (3:1:2, v/v) ultraskaņas iedarbībā apkārtējās vides temperatūrā un atmosfēras spiedienā ar īsu reakcijas laiku (5–60 min) ieguva Cu₃(BTC)₂ ar augstu iznākumu (62,6–85,1%). Šo Cu₃(BTC)₂ nanokristālu izmēri ir diapazonā no 10 līdz 200 nm, un tie ir daudz mazāki nekā kristāli, kas sintezēti ar tradicionālo solvotermālo metodi. Fizikāli ķīmiskajās īpašībās, piemēram, BET īpatnējās virsmas laukumā, poru tilpumā un ūdeņraža uzglabāšanas ietilpībā, nebija būtisku atšķirību starp Cu₃(BTC)₂ nanokristāliem, kas iegūti ar ultraskaņas metodi, un mikrokristāliem, kas iegūti ar uzlabotu solvotermālo metodi. Salīdzinot ar tradicionālajām sintēzes metodēm, piemēram, šķīdinātāju difūzijas metodi, hidrotermālajām un solvotermālajām metodēm, tika konstatēts, ka ultraskaņas metode porainu MOF veidošanai ir ļoti efektīva un videi draudzīgāka.

Viendimensionāla Mg(II) MOF iegūšana

Tahmasian un līdzautori (2013) ziņo par efektīvu, lētu, kā arī videi draudzīgu metodi uz MgII balstīta 3D supramolekulāra metālorganiskā karkasa (MOF) {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_n (H3L = 4,5-imidazoldikarbonskābe) iegūšanai, izmantojot ultraskaņu.
Nanostrukturētais {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_n tika sintezēts ar tālāk aprakstīto sonoķīmisko metodi. Lai iegūtu nanoizmēra {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H₂O}n (1), 20 mL liganda H₃IDC (0,05M) un kālija hidroksīda (0,1 M) šķīdumā ievietoja augsta blīvuma ultraskaņas zondi ar maksimālo izejas jaudu 305 W. Šim šķīdumam pa pilieniem pievienoja 20 mL magnija nitrāta ūdens šķīduma (0,05M). Iegūtās nogulsnes atfiltrēja, mazgāja ar ūdeni un etanolu un žāvēja gaisā (kušanas t.> 300ºC. (Konstatēts: C, 24,84; H, 3,22; N, 11,67%.). IR (cm^-1) atlasītās joslas: 3383 (w), 3190 (w), 1607 (br), 1500 (m), 1390 (s), 1242 (m), 820 (m), 652 (m)).
Lai pētītu sākotnējo reaģentu koncentrācijas ietekmi uz nanostrukturētā savienojuma izmēru un morfoloģiju, iepriekš aprakstītos procesus veica ar šādu sākotnējo reaģentu koncentrāciju: [HL2−] = [Mg2+] = 0,025 M.

Fluorescējošu mikroporainu MOF sonoķīmiskā sintēze

Qiu un līdzautori (2008) atklāja sonoķīmisku metodi fluorescējoša mikroporaina MOF Zn₃(BTC)₂⋅12H₂O (1) ātrai sintēzei un organisko amīnu selektīvai noteikšanai, izmantojot savienojuma 1 nanokristālus. Rezultāti liecina, ka sintēze ar ultraskaņu ir vienkārša, efektīva, lēta un videi draudzīga pieeja nanoizmēra MOF iegūšanai.
MOF 1 sintezēja ar ultraskaņas metodi apkārtējās vides temperatūrā un atmosfēras spiedienā ar dažādiem reakcijas laikiem – attiecīgi 5, 10, 30 un 90 min. Tika veikts arī kontroles eksperiments savienojuma 1 sintezēšanai ar hidrotermālo metodi, un struktūras apstiprināja ar IR, elementanalīzi un pulvera rentgendifrakcijas (XRD) ainu Rītvelda analīzi, izmantojot WinPLOTR un Fullprof¹³. Pārsteidzoši, ka cinka acetāta dihidrāta reakcijā ar benzol-1,3,5-trikarbonskābi (H₃BTC) 20% etanola šķīdumā ūdenī (v/v) ultraskaņas iedarbībā apkārtējās vides temperatūrā un spiedienā 5 min laikā ieguva savienojumu 1 ar ievērojami augstu iznākumu (75,3%, rēķinot pēc H₃BTC). Turklāt savienojuma 1 iznākums pakāpeniski palielinājās no 78,2% līdz 85,3%, reakcijas laikam palielinoties no 10 līdz 90 min. Šis rezultāts liecina, ka ar apstrādi ar ultraskaņu var nodrošināt ātru MOF sintēzi ar ievērojami augstu iznākumu. Salīdzinot ar tā paša savienojuma MOF 1 hidrotermālo sintēzi, ko veic 140°C temperatūrā un augstā spiedienā 24 h, sintēze ar ultraskaņu ir atzīta par ļoti efektīvu metodi ar augstu iznākumu un zemām izmaksām.
Tā kā, sajaucot cinka acetātu ar H3BTC tajā pašā reakcijas vidē apkārtējās vides temperatūrā un spiedienā bez ultraskaņas, produkts netika iegūts, var secināt, ka apstrādei ar ultraskaņu ir svarīga loma MOF 1 veidošanās procesā.
 

Vienkārša supramolekulāru struktūru sintēze ar apstrādi ar ultraskaņu – lasiet vairāk!

Atrodiet savam procesam vislabāko sonoķīmisko aprīkojumu!

Hielscher Ultrasonics ir ilggadēja pieredze jaudīgu un uzticamu ultraskaņas iekārtu un sonoķīmisko reaktoru projektēšanā un ražošanā. Hielscher nodrošina jūsu lietojuma prasību izpildi ar plašu ultraskaņas ierīču klāstu – no nelielām laboratorijas ierīcēm līdz galda un pilotmēroga ultraskaņas iekārtām un pilna mēroga rūpnieciskām sistēmām sonoķīmiskai ražošanai komerciālā mērogā. Plašs sonotrožu, amplitūdas pastiprinātāju, reaktoru, plūsmas šūnu, trokšņa slāpēšanas kameru un piederumu klāsts ļauj izveidot optimālu aprīkojuma konfigurāciju jūsu sonoķīmiskajai reakcijai. Hielscher ultraskaņas iekārtas ir ļoti izturīgas, paredzētas darbībai 24/7 un prasa tikai ļoti nelielu apkopi.