Ультразвуковая подготовка металлоорганических каркасов (MOF)

• Металл-органические каркасы представляют собой соединения, образованные из ионов металлов и органических молекул таким образом, что создается одно-, двух- или трехмерный гибридный материал. Эти гибридные структуры могут быть пористыми или непористыми и обладают разнообразными функциональными возможностями.
• Сонохимический синтез MOFs является перспективным методом, так как металл-органические кристаллы получают очень эффективно и экологически чисто.
• Ультразвуковое производство MOF может быть линейно масштабировано от подготовки небольших образцов в лаборатории до полномасштабного коммерческого производства.

металлоорганические каркасы

Кристаллические металлоорганические каркасы (MOF) относятся к категории высокопотенциальных пористых материалов, которые могут использоваться для хранения газа, адсорбции/разделения, катализа, в качестве адсорбентов, для магнетизма, проектирования датчиков и доставки лекарств. MOF обычно формируются путем самосборки, в которой вторичные строительные блоки (SBU) соединяются с органическими прокладками (лигандами) для создания сложных сетей. Органические прокладки или металлические SBU могут быть модифицированы для контроля пористости MOF, что имеет решающее значение для его функциональности и полезности для конкретных применений.

Сонохимический синтез MOFs

Ультразвуковое облучение и возникающая при этом кавитация хорошо известны своим уникальным влиянием на химические реакции, называемым сонохимией. Бурный разрыв кавитационных пузырьков приводит к образованию локализованных горячих точек с чрезвычайно высокими переходными температурами (5000 К), давлениями (1800 атм) и скоростями охлаждения (10¹⁰Кс^-1), а также ударные волны и возникающие струи жидкости. В этих кавитационных горячих точках происходит зарождение и рост кристаллов, например, за счет созревания Оствальда. Однако размер частиц ограничен, поскольку эти горячие точки характеризуются экстремальной скоростью охлаждения, то есть температура реакционной среды падает в течение миллисекунд.
Известно, что ультразвук позволяет быстро синтезировать MOFs в мягких технологических условиях, например, без растворителей, при комнатной температуре и давлении окружающей среды. Исследования показали, что MOFs могут быть получены экономически эффективным способом с высоким выходом через сонохимический маршрут. Наконец, сонохимический синтез MOFs - это экологичный, безопасный для окружающей среды метод.

Приготовление МОС-5

В исследовании Wang et al (2011), Zn₄O[1,4-бензолдикарбоксилат]₃ синтезирован сонохимическим способом. 1,36 г H₂BDC и 4,84 г Zn(NO₃)₂·6Ч₂O были растворены в 160 мл ДМФА. Затем в смесь под ультразвуковым облучением добавляли 6,43 г TEA. Через 2 ч бесцветный осадок собирали фильтрацией и промывали DMF. Твердое вещество сушили при 90°C в вакууме, а затем хранили в вакуумном эксикаторе.

Получение микропористого MOF Cu₃(БТД)₂

Li et al. (2009) сообщают об эффективном ультразвуковом синтезе трехмерного (3D) металл-органического каркаса (MOF) с 3-D каналами, такими как Cu₃(БТД)₂ (HKUST-1, BTC = бензол-1,3,5-трикарбоксилат). Реакция ацетата меди и H₃BTC в смешанном растворе DMF/EtOH/H₂O (3:1:2, v/v) при ультразвуковом облучении при температура окружающей среды и атмосферное давление для Короткое время реакции (5–60 мин) дал Cu₃(БТД)₂ В высокая урожайность (62.6–85.1%). Эти Cu₃(БТД)₂ Нанокристаллы имеют размеры в диапазоне размеров от 10 до 200 нм, что значительно меньше чем синтезированные обычным сольвотермическим методом. Не было существенных различий в физико-химических свойствах, например, площади поверхности BET, объеме пор и емкости хранения водорода, между Cu₃(БТД)₂ нанокристаллы, полученные ультразвуковым методом, и микрокристаллы, полученные с использованием усовершенствованного сольвотермического метода. По сравнению с традиционными синтетическими методами, такими как метод диффузии растворителей, гидротермальный и сольвотермический методы, ультразвуковой метод для создания пористых MOFs показал высокую степень Эффективный и Более экологичный.

Получение одномерного Mg(II) MOF

Tahmasian et al. (2013) сообщают Эффективный, низкая стоимостьи экологичность способ получения 3D супрамолекулярного металл-органического каркаса (MOF) на основе MgII, {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1,5 ч₂O}_N (H3L = 4,5-имидазол-дикарбоновая кислота) с помощью ультразвукового метода.
Наноструктурированный {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1,5 ч₂O}_N был синтезирован следующим сонохимическим способом. Для приготовления наноразмерного {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H₂O}n (1), 20 мл раствора лиганда H₃IDC (0,05M) и гидроксида калия (0,1 M) помещали в ультразвуковой зонд высокой плотности с максимальной выходной мощностью 305 Вт. В этот раствор по каплям добавляли 20 мл водного раствора нитрата магния (0,05M). Полученные осадки отфильтровывали, промывали водой и этанолом и сушили на воздухе (м.п. > 300ºC. (Найдено: C, 24.84; H, 3.22; N, 11.67%.). ИК-спектр (см^-1) Выбранные полосы: 3383 (W), 3190 (W), 1607 (BR), 1500 (M), 1390 (s), 1242 (m), 820 (m), 652 (m)).
Для изучения влияния концентрации исходных реагентов на размер и морфологию наноструктурированного соединения описанные процессы проводили при следующих условиях концентрации исходных реагентов: [HL2−] = [Mg2+] = 0,025 М.

Соносинтез флуоресцентных микропористых MOFs

Qiu et al. (2008) нашли сонохимический маршрут для быстрого синтеза флуоресцентных микропористых MOF, Zn₃(БТД)₂⋅12Ч₂O (1) и селективного зондирования органоаминов с использованием нанокристаллов 1. Результаты показывают, что ультразвуковой синтез является простым, эффективным, недорогим и экологически чистым подходом к получению наноразмерных MOFs.
MOF 1 синтезировали ультразвуковым методом при температуре окружающей среды и атмосферном давлении при различных временах реакции 5, 10, 30 и 90 мин, соответственно. Также был проведен контрольный эксперимент по синтезу соединения 1 гидротермальным методом, и структуры были подтверждены ИК-спектрометрией, элементным анализом и анализом Ритвельда картин порошковой рентгеновской дифракции (XRD) с использованием WinPLOTR и Fullprof.¹³. Удивительно, но реакция дигидрата ацетата цинка с бензолом-1,3,5-трикарбоновой кислотой (Н₃BTC) в 20% этаноле в воде (v/v) при ультразвуковом облучении при температуре и давлении окружающей среды в течение 5 мин дало 1 с необычайно высоким выходом (75,3%, исходя из H₃BTC). Кроме того, выход 1 постепенно увеличивался с 78,2 до 85,3 % при увеличении времени реакции с 10 до 90 мин. Этот результат свидетельствует о том, что быстрый синтез MOF может быть осуществлен со значительно высоким выходом при использовании соникации. По сравнению с гидротермальным синтезом MOF 1, который проводится при 140°C под высоким давлением в течение 24 ч, ультразвуковой синтез является высокоэффективным методом с высоким выходом и низкой стоимостью.
Поскольку при смешивании ацетата цинка с H3BTC в той же реакционной среде при температуре и давлении окружающей среды в отсутствие ультразвука не было получено ни одного продукта, можно сделать вывод, что соникация играет важную роль при образовании MOF 1.
 

Простой синтез супрамолекулярных структур с помощью соникации – Читать далее!

Найдите лучшее сонохимическое оборудование для вашего процесса!

Компания Hielscher Ultrasonics имеет многолетний опыт в проектировании и производстве мощных и надежных ультразвуковых аппаратов и сонохимических реакторов. Hielscher удовлетворяет ваши требования к применению с помощью широкого ассортимента ультразвуковых устройств – от малых лабораторные приборы над настольный и пилот ультразвуковые аппараты до полногоПромышленные системы для сонохимического производства в промышленных масштабах. Большой выбор сонотродов, бустеров, реакторов, проточных кювет, шумоподавителей и аксессуаров позволяет сконфигурировать оптимальную установку для проведения сонохимической реакции. Соникаторы Hielscher очень надежны, рассчитаны на круглосуточную работу и требуют лишь минимального обслуживания.