Ultradźwiękowy preparat metaloorganicznych ram (MOF)

• Szkielety metaloorganiczne to związki utworzone z jonów metali i cząsteczek organicznych, dzięki czemu powstaje jedno-, dwu- lub trójwymiarowy materiał hybrydowy. Te hybrydowe struktury mogą być porowate lub nieporowate i oferować różnorodne funkcje.
• Sonochemiczna synteza MOF jest obiecującą techniką, ponieważ kryształy metaloorganiczne są wytwarzane bardzo wydajnie i są przyjazne dla środowiska.
• Ultradźwiękowa produkcja MOF może być liniowo skalowana od przygotowania małych próbek w laboratorium do pełnej produkcji komercyjnej.

struktury metaloorganiczne

Krystaliczne struktury metaloorganiczne (MOF) należą do kategorii materiałów porowatych o wysokim potencjale, które mogą być stosowane w magazynowaniu gazów, adsorpcji / separacji, katalizie, jako adsorbenty, w magnetyzmie, projektowaniu czujników i dostarczaniu leków. MOF są zwykle formowane przez samoorganizację, w której wtórne jednostki budulcowe (SBU) łączą się z organicznymi elementami dystansowymi (ligandami), tworząc złożone sieci. Organiczne elementy dystansowe lub metaliczne jednostki SBU można modyfikować w celu kontrolowania porowatości MOF, co ma kluczowe znaczenie dla jego funkcjonalności i przydatności do określonych zastosowań.

Sonochemiczna synteza MOF-ów

Promieniowanie ultradźwiękowe i generowana w ten sposób kawitacja są dobrze znane ze swojego wyjątkowego wpływu na reakcje chemiczne, znane jako sonochemia. Gwałtowna implozja pęcherzyków kawitacyjnych generuje zlokalizowane gorące punkty o niezwykle wysokich temperaturach przejściowych (5000 K), ciśnieniach (1800 atm) i szybkościach chłodzenia (10¹⁰Ks^-1), a także fale uderzeniowe i wynikające z nich strumienie cieczy. W tych gorących punktach kawitacyjnych indukowane i promowane jest zarodkowanie i wzrost kryształów, np. poprzez dojrzewanie Ostwalda. Rozmiar cząstek jest jednak ograniczony, ponieważ te gorące punkty charakteryzują się ekstremalnymi szybkościami chłodzenia, co oznacza, że temperatura medium reakcyjnego spada w ciągu milisekund.
Wiadomo, że ultradźwięki szybko syntetyzują MOF w łagodnych warunkach procesowych, takich jak brak rozpuszczalników, w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem otoczenia. Badania wykazały, że MOF mogą być wytwarzane w sposób ekonomiczny z wysoką wydajnością na drodze sonochemicznej. Wreszcie, sonochemiczna synteza MOF jest zieloną, przyjazną dla środowiska metodą.

Przygotowanie MOF-5

W badaniu Wang et al (2011), Zn₄O[1,4-benzenodikarboksylan]₃ został zsyntetyzowany na drodze sonochemicznej. 1.36g H₂BDC i 4,84 g Zn(NO₃)₂-6H₂O rozpuszczono początkowo w 160 ml DMF. Następnie do mieszaniny dodano 6,43 g TEA pod działaniem ultradźwięków. Po 2 godzinach bezbarwny osad zebrano przez filtrację i przemyto DMF. Ciało stałe wysuszono w temperaturze 90°C w próżni, a następnie przechowywano w eksykatorze próżniowym.

Przygotowanie mikroporowatego MOF Cu₃(BTC)₂

Li et al. (2009) donoszą o skutecznej ultradźwiękowej syntezie trójwymiarowych (3-D) szkieletów metaloorganicznych (MOF) z kanałami 3-D, takimi jak Cu₃(BTC)₂ (HKUST-1, BTC = benzeno-1,3,5-trikarboksylan). Reakcja octanu miedzi i H₃BTC w mieszanym roztworze DMF/EtOH/H₂O (3:1:2, v/v) pod działaniem ultradźwięków w temperaturze temperatura otoczenia i ciśnienie atmosferyczne wysokiej mocy krótki czas reakcji (5-60 min) dało Cu₃(BTC)₂ W wysoka wydajność (62.6-85.1%). Te Cu₃(BTC)₂ Nanokryształy mają wymiary w zakresie od 10 do 200 nm, które są znacznie większe niż kryształy. mniejszy niż te syntetyzowane konwencjonalną metodą solwotermalną. Nie stwierdzono znaczących różnic we właściwościach fizykochemicznych, np. powierzchni BET, objętości porów i zdolności magazynowania wodoru pomiędzy Cu₃(BTC)₂ Nanokryształy przygotowane metodą ultradźwiękową i mikrokryształy otrzymane przy użyciu ulepszonej metody solwotermalnej. W porównaniu z tradycyjnymi technikami syntetycznymi, takimi jak technika dyfuzji rozpuszczalnika, metody hydrotermalne i solwotermalne, metoda ultradźwiękowa do budowy porowatych MOF okazała się wysoce skuteczna. Wydajność i bardziej przyjazny dla środowiska.

Przygotowanie jednowymiarowego Mg(II) MOF

Tahmasian et al. (2013) donoszą, że Wydajność, niski koszt, i przyjazny dla środowiska w celu wytworzenia supramolekularnego szkieletu metaloorganicznego (MOF) 3D opartego na MgII, {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_N (H3L = kwas 4,5-imidazolodikarboksylowy) przy użyciu drogi wspomaganej ultradźwiękami.
Nanostrukturalne {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_N zsyntetyzowano następującą drogą sonochemiczną. Aby przygotować nanocząstki {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H₂O}n (1), 20 ml roztworu ligandu 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) wybrane pasma: 3383 (w), 3190 (w), 1607 (br), 1500 (m), 1390 (s), 1242 (m), 820 (m), 652 (m)).
W celu zbadania wpływu stężenia odczynników wyjściowych na wielkość i morfologię nanostrukturalnego związku, powyższe procesy przeprowadzono w następujących warunkach stężenia odczynników wyjściowych: [HL2-] = [Mg2+] = 0,025 M.

Sono-synteza fluorescencyjnych mikroporowatych MOF-ów

Qiu et al. (2008) znaleźli sonochemiczną drogę do szybkiej syntezy fluorescencyjnych mikroporowatych MOF, Zn₃(BTC)₂⋅12H₂O (1) i selektywne wykrywanie organoamin przy użyciu nanokryształów 1. Wyniki pokazują, że synteza ultradźwiękowa jest prostym, wydajnym, tanim i przyjaznym dla środowiska podejściem do nanoskalowych MOF.
MOF 1 zsyntetyzowano metodą ultradźwiękową w temperaturze otoczenia i pod ciśnieniem atmosferycznym dla różnych czasów reakcji wynoszących odpowiednio 5, 10, 30 i 90 minut. Przeprowadzono również eksperyment kontrolny w celu syntezy związku 1 metodą hydrotermalną, a struktury potwierdzono za pomocą IR, analizy elementarnej i analizy Rietvelda wzorów dyfrakcji rentgenowskiej proszku (XRD) przy użyciu WinPLOTR i Fullprof¹³. Co zaskakujące, reakcja dwuwodnego octanu cynku z kwasem benzeno-1,3,5-trikarboksylowym (H₃BTC) w 20% etanolu w wodzie (v/v) pod działaniem ultradźwięków w temperaturze otoczenia i pod ciśnieniem przez 5 minut dało 1 z wyjątkowo wysoką wydajnością (75,3%, w przeliczeniu na H₃BTC). Ponadto wydajność 1 wzrastała stopniowo z 78,2% do 85,3% wraz ze wzrostem czasu reakcji z 10 do 90 minut. Wynik ten sugeruje, że szybka synteza MOF może być realizowana ze znacznie wysoką wydajnością przy użyciu sonikacji. W porównaniu z hydrotermalną syntezą tego samego związku MOF 1, która jest przeprowadzana w temperaturze 140 ° C pod wysokim ciśnieniem przez 24 godziny, synteza ultradźwiękowa jest wysoce wydajną metodą o wysokiej wydajności i niskich kosztach.
Ponieważ nie uzyskano żadnego produktu przez zmieszanie octanu cynku z H3BTC w tym samym środowisku reakcyjnym w temperaturze otoczenia i pod ciśnieniem przy braku ultradźwięków, można stwierdzić, że sonikacja odgrywa ważną rolę podczas tworzenia MOF 1.
 

Łatwa synteza struktur supramolekularnych przy użyciu sonikacji – Czytaj więcej!

Znajdź najlepszy sprzęt sonochemiczny dla swojego procesu!

Firma Hielscher Ultrasonics posiada wieloletnie doświadczenie w projektowaniu i produkcji wydajnych i niezawodnych ultrasonografów i reaktorów sonochemicznych. Hielscher spełnia wymagania aplikacji dzięki szerokiej gamie urządzeń ultradźwiękowych – z małego urządzenia laboratoryjne nad powierzchni roboczych i pilot ultradźwięki do pełnegosystemy przemysłowe do produkcji sonochemicznej na skalę komercyjną. Duża różnorodność sonotrod, wzmacniaczy, reaktorów, komórek przepływowych, skrzynek redukcji szumów i akcesoriów pozwala skonfigurować optymalną konfigurację dla reakcji sonochemicznej. Sonikatory Hielscher są bardzo wytrzymałe, zbudowane do pracy w trybie 24/7 i wymagają bardzo niewielkiej konserwacji.