Ultrazvuková príprava kovo-organických konštrukcií (MOF)

• Kovo-organické rámce sú zlúčeniny vytvorené z kovových iónov a organických molekúl tak, aby sa vytvoril jedno-, dvoj- alebo trojrozmerný hybridný materiál. Tieto hybridné štruktúry môžu byť pórovité alebo neporézne a ponúkajú rozmanité funkcie.
• Sonochemická syntéza MOF je sľubnou technikou, pretože kovo-organické kryštály sa vyrábajú veľmi efektívne a šetrné k životnému prostrediu.
• Ultrazvukovú výrobu MOF je možné lineárne rozšíriť od prípravy malých vzoriek v laboratóriu až po plnú komerčnú výrobu.

kovo-organické konštrukcie

Kryštalické kovovo-organické konštrukcie (MOF) patria do kategórie vysoko potenciálnych pórovitých materiálov, ktoré možno použiť pri skladovaní plynu, adsorpcii/separácii, katalýze, ako adsorbenty, pri magnetizme, dizajne senzorov a dodávaní liečiv. MOF sa zvyčajne tvoria samousporiadaním, kde sa sekundárne stavebné jednotky (SBU) spájajú s organickými rozperami (ligandmi) a vytvárajú zložité siete. Organické dištančné vložky alebo kovové SBU je možné upraviť tak, aby sa kontrolovala pórovitosť MOF, ktorá je rozhodujúca z hľadiska jeho funkcií a užitočnosti pre konkrétne aplikácie.

Sonochemická syntéza MOF

Ultrazvukové ožarovanie a takto vzniknutá kavitácia sú dobre známe pre svoje jedinečné účinky na chemické reakcie, známe ako sonochémia. Prudká implózia kavitačných bublín vytvára lokalizované horúce miesta s mimoriadne vysokými prechodnými teplotami (5000 K), tlakmi (1800 atm) a rýchlosťami ochladzovania (10¹⁰Ks^-1), ako aj rázové vlny a výsledné kvapalné prúdy. V týchto kavitačných horúcich bodoch sa indukuje a podporuje nukleácia a rast kryštálov, napr. Ostwaldovým zrením. Veľkosť častíc je však obmedzená, pretože tieto horúce miesta sa vyznačujú extrémnymi rýchlosťami ochladzovania, čo znamená, že teplota reakčného prostredia klesá v priebehu milisekúnd.
Je známe, že ultrazvuk umožňuje rýchlu syntézu MOFov za miernych procesných podmienok, napríklad bez rozpúšťadla, pri izbovej teplote a za okolitého tlaku. Štúdie ukázali, že MOFy možno vyrábať nákladovo efektívne s vysokým výťažkom sonochemickou cestou. Napokon, sonochemická syntéza MOFov je ekologická metóda šetrná k životnému prostrediu.

Príprava MOF-5

V štúdii Wanga a kol. (2011) Zn₄O[1,4-benzéndikarboxylát]₃ bol syntetizovaný sonochemickou cestou. 1,36 g H₂BDC a 4,84 g Zn (NO₃)₂·6H₂O boli iniliálne rozpustené v 160 ml DMF. Potom sa do zmesi pod ultrazvukovým ožarovaním pridalo 6,43 g ČAJU. Po 2 hodinách sa bezfarebná zrazenina zachytila filtráciou a premyla DMF. Pevná látka sa sušila pri 90 °C vo vákuu a potom sa skladovala vo vákuovom exsikátore.

Príprava mikroporézneho MOF Cu₃(BTC)₂

Li et al. (2009) uvádzajú efektívnu ultrazvukovú syntézu trojrozmerného (3-D) kovo-organického rámca (MOF) s 3-D kanálmi, ako je Cu₃(BTC)₂ (HKUST-1, BTC = benzén-1,3,5-trikarboxylát). Reakcia octanu meďnatého a H₃BTC v zmiešanom roztoku DMF/EtOH/H₂O (3:1:2, v/v) pod ultrazvukovým žiarením pri teplota okolia a atmosférický tlak za krátke reakčné časy (5–60 min) dal Cu₃(BTC)₂ V vysoký výnos (62.6–85.1%). Tieto Cu₃(BTC)₂ Nanokryštály majú rozmery vo veľkosti 10–200 nm, čo je oveľa viac menší ako tie, ktoré sú syntetizované konvenčnou solvotermálnou metódou. Medzi Cu neboli žiadne významné rozdiely vo fyzikálno-chemických vlastnostiach, napr. ploche povrchu BET, objeme pórov a kapacite ukladania vodíka₃(BTC)₂ nanokryštály pripravené ultrazvukovou metódou a mikrokryštály získané pomocou vylepšenej solvotermálnej metódy. V porovnaní s tradičnými syntetickými technikami, ako je difúzna technika rozpúšťadiel, hydrotermálne a solvotermálne metódy, sa zistilo, že ultrazvuková metóda na konštrukciu poréznych MOF je vysoko Účinný a šetrnejšie k životnému prostrediu.

Príprava jednorozmerného Mg(II) MOF

Tahmasian a kol. (2013) uvádzajú Účinný, nízke nákladya šetrné k životnému prostrediu na vytvorenie 3D supramolekulárneho kovo-organického rámca (MOF) na báze MgII, {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1,5 hodiny₂O}_N (H3L = kyselina 4,5-imidazol-dikarboxylová) pomocou ultrazvukovej cesty.
Nanoštruktúrované {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1,5 hodiny₂O}_N bol syntetizovaný nasledujúcou sonochemickou cestou. Na prípravu nanorozmerov {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1,5H₂O}n (1), 20 ml roztoku 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) vybrané pásma: 3383 (w), 3190 (w), 1607 (br), 1500 (m), 1390 (s), 1242 (m), 820 (m), 652 (m)).
Na štúdium vplyvu koncentrácie počiatočných činidiel na veľkosť a morfológiu nanoštruktúrovanej zlúčeniny sa vyššie uvedené procesy uskutočnili za nasledujúcich podmienok koncentrácie počiatočných činidiel: [HL2−] = [Mg2+] = 0,025 M.

Sonosyntéza fluorescenčných mikroporéznych MOF

Qiu et al. (2008) našli sonochemický spôsob rýchlej syntézy fluorescenčných mikroporéznych MOF, Zn₃(BTC)₂⋅12H₂O (1) a selektívne snímanie organoamínov pomocou nanokryštálov 1. Výsledky ukazujú, že ultrazvuková syntéza je jednoduchý, efektívny, lacný a ekologický prístup k MOFom v nanorozmeroch.
MOF 1 bol syntetizovaný ultrazvukovou metódou pri teplote okolia a atmosférickom tlaku počas rôznych reakčných časov 5, 10, 30 a 90 minút. Uskutočnil sa aj kontrolný experiment syntézy zlúčeniny 1 hydrotermálnou metódou a štruktúry boli potvrdené IR, prvkovou analýzou a Rietveldovou analýzou práškových röntgenových difrakčných (XRD) vzorcov pomocou WinPLOTR a Fullprof¹³. Prekvapivo reakcia dihydrátu octanu zinočnatého s kyselinou benzén-1,3,5-trikarboxylovou (H₃BTC) v 20 % etanolu vo vode (v/v) pri ultrazvukovom ožarovaní pri teplote a tlaku okolia počas 5 min. sa získal 1 s mimoriadne vysokým výťažkom (75,3 %, na základe H₃BTC). Aj výťažok 1 sa postupne zvyšoval zo 78,2 % na 85,3 % s predlžovaním reakčného času z 10 na 90 min. Tento výsledok naznačuje, že rýchlu syntézu MOF možno realizovať s výrazne vysokým výťažkom pomocou sonikácie. V porovnaní s hydrotermálnou syntézou tej istej zlúčeniny MOF 1, ktorá sa vykonáva pri 140 °C za vysokého tlaku počas 24 h, sa ultrazvuková syntéza ukázala ako vysoko účinná metóda s vysokým výťažkom a nízkymi nákladmi.
Keďže zmiešaním octanu zinočnatého s H3BTC v tom istom reakčnom prostredí pri teplote a tlaku okolia v neprítomnosti ultrazvuku sa nezískal žiadny produkt, možno konštatovať, že sonikácia hrá dôležitú úlohu pri tvorbe MOF 1.
 

Jednoduchá syntéza supramolekulárnych štruktúr pomocou sonikácie – Čítaj viac!

Nájdite najlepšie sonochemické zariadenie pre svoj proces!

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics má dlhoročné skúsenosti s návrhom a výrobou výkonných a spoľahlivých ultrazvukových prístrojov a sonochemických reaktorov. Spoločnosť Hielscher pokrýva vaše požiadavky na aplikáciu so širokou škálou ultrazvukových zariadení – z malého Laboratórne zariadenia nad Stolová doska a pilot ultrazvukové prístroje až do plnejPriemyselné systémy pre sonochemickú výrobu v komerčnom meradle. Veľký výber sonotród, posilňovačov, reaktorov, prietokových buniek, boxov na potlačenie hluku a príslušenstva umožňuje nakonfigurovať optimálne nastavenie pre vašu sonochemickú reakciu. Sonikátory Hielscher sú veľmi robustné, konštruované na nepretržitú prevádzku a potrebujú len veľmi malú údržbu.