Ultrasone bereiding van metaal-organische frames (MOF's)

• Metal-Organic Frameworks zijn verbindingen die gevormd worden uit metaalionen en organische moleculen zodat een één-, twee- of driedimensionaal hybride materiaal ontstaat. Deze hybride structuren kunnen poreus of niet-poreus zijn en verschillende functionaliteiten bieden.
• De sonochemische synthese van MOF's is een veelbelovende techniek omdat de metaal-organische kristallen zeer efficiënt en milieuvriendelijk worden geproduceerd.
• De ultrasone productie van MOF's kan lineair worden opgeschaald van de bereiding van kleine monsters in het lab tot volledige commerciële productie.

metaal-organische kaders

Kristallijne metaal-organische raamwerken (MOF's) vallen in de categorie van poreuze materialen met een hoog potentieel, die gebruikt kunnen worden bij gasopslag, adsorptie/scheiding, katalyse, als adsorbens, in magnetisme, sensorontwerp en medicijnafgifte. MOF's worden meestal gevormd door zelfassemblage waarbij secundaire bouwstenen (SBU's) verbonden worden met organische afstandhouders (liganden) om complexe netwerken te vormen. De organische afstandhouders of de metalen SBU's kunnen worden aangepast om de porositeit van het MOF te bepalen, wat cruciaal is voor de functionaliteit en het nut voor bepaalde toepassingen.

Sonochemische synthese van MOF's

Ultrasone bestraling en de daarbij gegenereerde cavitatie staan bekend om hun unieke effecten op chemische reacties, bekend als sonochemie. De gewelddadige implosie van cavitatiebellen genereert gelokaliseerde hete plekken met uitzonderlijk hoge tijdelijke temperaturen (5000 K), drukken (1800 atm) en afkoelsnelheden (10 %).¹⁰Ks^-1) evenals schokgolven en resulterende vloeistofstralen. Op deze cavitatiehaarden wordt kristalkernvorming en -groei, bijvoorbeeld door Ostwald-rijping, geïnduceerd en bevorderd. De deeltjesgrootte is echter beperkt omdat deze hotspots gekenmerkt worden door extreme afkoelsnelheden, wat betekent dat de temperatuur van het reactiemedium binnen milliseconden daalt.
Ultrasoon geluid staat erom bekend dat het MOF's snel kan synthetiseren onder milde procescondities, zoals zonder oplosmiddelen, bij kamertemperatuur en onder omgevingsdruk. Studies hebben aangetoond dat MOFs kosteneffectief en met een hoge opbrengst geproduceerd kunnen worden via de sonochemische route. Ten slotte is de sonochemische synthese van MOFs een groene, milieuvriendelijke methode.

Bereiding van MOF-5

In het onderzoek van Wang et al. (2011) werd Zn₄O[1,4-benzeendicarboxylaat]₃ werd gesynthetiseerd via een sonochemische route. 1,36g H₂BDC en 4,84g Zn(NO₃)₂-6H₂O werden opgelost in 160 ml DMF. Vervolgens werd 6,43 g TEA toegevoegd aan het mengsel onder ultrasone bestraling. Na 2 uur werd het kleurloze neerslag verzameld door filtratie en gewassen met DMF. De vaste stof werd gedroogd bij 90°C in vacuüm en vervolgens opgeslagen in een vacuümexsiccator.

Bereiding van microporeus MOF Cu₃(BTC)₂

Li et al. (2009) rapporteerden de efficiënte ultrasone synthese van drie-dimensionale (3-D) metaal-organische kaders (MOF) met 3-D kanalen, zoals Cu₃(BTC)₂ (HKUST-1, BTC = benzeen-1,3,5-tricarboxylaat). De reactie van koperacetaat en H₃BTC in een gemengde oplossing van DMF/EtOH/H₂O (3:1:2, v/v) onder ultrasone bestraling bij omgevingstemperatuur en atmosferische druk voor korte reactietijden (5-60 min) gaf Cu₃(BTC)₂ In hoog rendement (62.6-85.1%). Deze Cu₃(BTC)₂ nanokristallen hebben afmetingen in een bereik van 10-200 nm, die veel kleiner dan die gesynthetiseerd met de conventionele solvothermische methode. Er waren geen significante verschillen in fysisch-chemische eigenschappen, zoals BET-oppervlak, poriënvolume en waterstofopslagcapaciteit, tussen Cu₃(BTC)₂ nanokristallen bereid met ultrasone methode en de microkristallen verkregen met verbeterde solvothermische methode. Vergeleken met traditionele synthesetechnieken, zoals oplosmiddeldiffusietechniek, hydrothermische en solvothermische methoden, bleek de ultrasone methode voor de bouw van poreuze MOF's zeer goed te werken. Efficiënt en milieuvriendelijker.

Bereiding van een eendimensionaal Mg(II) MOF

Tahmasian et al. (2013) rapporteren een Efficiënt, lage prijsen milieuvriendelijk route voor de productie van een 3D supramoleculair metaal-organisch raamwerk (MOF) op basis van MgII, {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_N (H3L = 4,5-imidazool-dicarbonzuur) met behulp van een ultrasoon geassisteerde route.
Nanostructuur {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_N werd gesynthetiseerd via de volgende sonochemische route. Voor de bereiding van nanoformaat {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H₂O}n (1), 20 mL van een oplossing van het ligand 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) geselecteerde banden: 3383 (w), 3190 (w), 1607 (br), 1500 (m), 1390 (s), 1242 (m), 820 (m), 652 (m)).
Om het effect van de concentratie van initiële reagentia op de grootte en morfologie van nanogestructureerde verbinding te bestuderen, werden de bovenstaande processen uitgevoerd onder de volgende concentratieconditie van initiële reagentia: [HL2-] = [Mg2+] = 0,025 M.

Sonosynthese van fluorescerende microporeuze MOF's

Qiu et al. (2008) vonden een sonochemische route voor de snelle synthese van fluorescerende microporeuze MOF, Zn₃(BTC)₂⋅12H₂O (1) en selectieve detectie van organoamines met nanokristallen van 1. De resultaten laten zien dat ultrasone synthese een eenvoudige, efficiënte, goedkope en milieuvriendelijke benadering is voor MOF's op nanoschaal.
MOF 1 werd gesynthetiseerd met behulp van de ultrasone methode bij omgevingstemperatuur en atmosferische druk gedurende verschillende reactietijden van respectievelijk 5, 10, 30 en 90 minuten. Er werd ook een controle-experiment uitgevoerd om verbinding 1 te synthetiseren met de hydrothermische methode en de structuren werden bevestigd door IR, elementaire analyse en Rietveld-analyse van de röntgendiffractiepatronen (XRD) met WinPLOTR en Fullprof.¹³. Verrassend is de reactie van zinkacetaatdihydraat met benzeen-1,3,5-tricarbonzuur (H₃BTC) in 20% ethanol in water (v/v) onder ultrasone bestraling bij omgevingstemperatuur en -druk gedurende 5 minuten gaf 1 in een opmerkelijk hoge opbrengst (75,3%, op basis van H₃BTC). Ook de opbrengst van 1 geleidelijk toegenomen van 78,2% tot 85,3% met het verhogen van de reactietijd van 10 tot 90 minuten. Dit resultaat suggereert dat snelle synthese van MOF kan worden gerealiseerd in een aanzienlijk hoog rendement met behulp van sonicatie. Vergeleken met hydrothermale synthese van dezelfde verbinding MOF 1, die wordt uitgevoerd bij 140 ° C bij hoge druk gedurende 24 uur, ultrasone synthese blijkt een zeer efficiënte methode met een hoge opbrengst en lage kosten.
Aangezien er geen product werd verkregen door zinkacetaat te mengen met H3BTC in hetzelfde reactiemedium bij omgevingstemperatuur en druk in afwezigheid van ultrageluid, kan worden geconcludeerd dat sonicatie een belangrijke rol speelt tijdens de vorming van MOF 1.
 

Eenvoudige synthese van supramoleculaire structuren met behulp van sonicatie – Lees meer!

Vind de beste Sonochemische apparatuur voor uw proces!

Hielscher Ultrasonics heeft jarenlange ervaring in het ontwerpen en produceren van krachtige en betrouwbare ultrasone apparaten en sonochemische reactoren. Hielscher dekt uw toepassingseisen met een breed assortiment ultrasone apparaten – van kleine laboratoriumapparatuur via Bench-Top en piloot ultrasone apparaten tot vol-industriële systemen voor sonochemische productie op commerciële schaal. Een grote variëteit aan sonotrodes, booster, reactoren, flowcellen, ruisonderdrukkingsboxen en accessoires maakt het mogelijk om de optimale opstelling voor uw sonochemische reactie te configureren. Hielscher sonicators zijn zeer robuust, gebouwd voor 24/7 gebruik en hebben slechts weinig onderhoud nodig.