Përgatitja ultrasonike e strukturave metalo-organike (MOF)

• Strukturat metalo-organike janë përbërje të formuara nga jone metalike dhe molekula organike, duke krijuar kështu një material hibrid një-, dy- ose tredimensional. Këto struktura hibride mund të jenë poroze ose joporoze dhe ofrojnë funksionalitete të shumëllojshme.
• Sinteza sonokimike e MOF-ve është një teknikë premtuese, pasi kristalet metalo-organike prodhohen me efikasitet shumë të lartë dhe në mënyrë miqësore me mjedisin.
• Prodhimi ultrasonik i MOF-ve mund të zmadhohet në shkallë në mënyrë lineare, nga përgatitja e mostrave të vogla në laborator deri te prodhimi i plotë tregtar.

Strukturat metalo-organike

Strukturat metalo-organike kristalore (MOF) bëjnë pjesë në kategorinë e materialeve poroze me potencial të lartë, të cilat mund të përdoren për ruajtjen e gazeve, adsorbim/ndarje, katalizë, si adsorbentë, në magnetizëm, në projektimin e sensorëve dhe në shpërndarjen e barnave. MOF-të formohen zakonisht përmes vetorganizimit, ku njësitë ndërtuese dytësore (SBU) lidhen me ndarës organikë (ligandë) për të krijuar rrjete komplekse. Ndarësit organikë ose SBU-të metalike mund të modifikohen për të kontrolluar porozitetin e MOF-së, i cili është thelbësor për funksionalitetet e saj dhe për përdorimin e saj në aplikime të caktuara.

Sinteza sonokimike e MOF-ve

Rrezatimi ultrasonik dhe kavitacioni i gjeneruar prej tij njihen mirë për efektet e tyre unike në reaksionet kimike, të njohura si sonokimi. Implozioni i dhunshëm i flluskave të kavitacionit gjeneron pika të nxehta të lokalizuara me temperatura kalimtare jashtëzakonisht të larta (5000 K), presione (1800 atm) dhe shpejtësi ftohjeje (10¹⁰Ks^-1), si dhe valë goditëse dhe rryma lëngu që rezultojnë prej tyre. Në këto pika të nxehta kavitacionale nxiten dhe përforcohen bërthamëzimi dhe rritja e kristaleve, p.sh. përmes pjekjes së Ostwald-it. Megjithatë, madhësia e grimcave është e kufizuar, pasi këto pika të nxehta karakterizohen nga shpejtësi ekstreme ftohjeje, që do të thotë se temperatura e mjedisit të reaksionit bie brenda milisekondave.
Dihet se ultratingulli sintetizon me shpejtësi MOF në kushte të buta procesi, si pa tretës, në temperaturën e dhomës dhe nën presionin e mjedisit. Studimet kanë treguar se MOF-të mund të prodhohen me kosto efektive dhe rendiment të lartë përmes rrugës sonokimike. Së fundi, sinteza sonokimike e MOF-ve është një metodë e gjelbër, miqësore me mjedisin.

Përgatitja e MOF-5

Në studimin e Wang et al (2011), Zn₄O[1,4-benzenedicarboxylate]₃ u sintetizua përmes rrugës sonokimike. 1,36g H₂BDC dhe 4,84g Zn(NO₃)₂·6H₂O u tretën fillimisht në 160mL DMF. Më pas, përzierjes iu shtuan 6,43g TEA nën rrezatim ultrasonik. Pas 2 h, precipitati pa ngjyrë u mblodh me filtrim dhe u la me DMF. Lënda e ngurtë u tha në 90°C në vakum dhe më pas u ruajt në një eksikator me vakum.

Përgatitja e MOF-së mikroporoze Cu₃(BTC)₂

Li et al. (2009) raportojnë sintezën efikase ultrasonike të një strukture metalo-organike (MOF) tredimensionale (3-D) me kanale 3-D, si Cu₃(BTC)₂ (HKUST-1, BTC = benzen-1,3,5-trikarboksilat). Reaksioni i acetatit të bakrit(II) dhe H₃BTC në një tretësirë të përzier DMF/EtOH/H₂O (3:1:2, v/v) nën rrezatim ultrasonik në temperaturën e mjedisit dhe presion atmosferik për kohë të shkurtra reaksioni (5–60 min) dha Cu₃(BTC)₂ me rendiment të lartë (62,6–85,1%). Këto nanokristale Cu₃(BTC)₂ kanë përmasa në intervalin 10–200 nm, të cilat janë shumë më të vogla se ato të kristaleve të sintetizuara me metodën konvencionale solvotermike. Nuk kishte dallime domethënëse në vetitë fiziko-kimike, p.sh. sipërfaqja specifike BET, vëllimi i poreve dhe kapaciteti i ruajtjes së hidrogjenit, midis nanokristaleve Cu₃(BTC)₂ të përgatitura me metodën ultrasonike dhe mikrokristaleve të përftuara me metodën e përmirësuar solvotermike. Krahasuar me teknikat tradicionale të sintezës, si teknika e difuzionit të tretësit, metodat hidrotermike dhe solvotermike, metoda ultrasonike për ndërtimin e MOF-ve poroze u konstatua se ishte shumë efikase dhe më miqësore me mjedisin.

Përgatitja e një MOF-je njëdimensionale të Mg(II)

Tahmasian et al. (2013) raportojnë një rrugë efikase, me kosto të ulët, dhe miqësore me mjedisin për të prodhuar një strukturë metalo-organike (MOF) supramolekulare 3D të bazuar në MgII, {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_n (H3L = acidi 4,5-imidazol-dikarboksilik), duke përdorur një rrugë të asistuar me ultratinguj.
Përbërja e nanostrukturuar {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_n u sintetizua përmes rrugës sonokimike të mëposhtme. Për të përgatitur {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H₂O}n (1) me përmasa nanometrike, në 20 mL të një tretësire të ligandit H₃IDC (0,05M) dhe hidroksidit të kaliumit (0,1 M) u vendos një sondë ultrasonike me dendësi të lartë dhe fuqi dalëse maksimale prej 305 W. Në këtë tretësirë u shtuan pikë-pikë 20 mL të një tretësire ujore të nitratit të magnezit (0,05M). Precipitatet e përftuara u ndanë me filtrim, u lanë me ujë dhe etanol dhe u thanë në ajër (pika e shkrirjes> 300ºC. (U gjet: C, 24,84; H, 3,22; N, 11,67%.). IR (cm^-1) breza të përzgjedhur: 3383 (w), 3190 (w), 1607 (br), 1500 (m), 1390 (s), 1242 (m), 820 (m), 652 (m)).
Për të studiuar efektin e përqendrimit të reagentëve fillestarë në madhësinë dhe morfologjinë e përbërjes së nanostrukturuar, proceset e mësipërme u kryen në kushtin e mëposhtëm të përqendrimit të reagentëve fillestarë: [HL2−] = [Mg2+] = 0,025 M.

Sonosinteza e MOF-ve mikroporoze fluoreshente

Qiu et al. (2008) gjetën një rrugë sonokimike për sintezën e shpejtë të MOF-së mikroporoze fluoreshente, Zn₃(BTC)₂⋅12H₂O (1), dhe për detektimin selektiv të organoaminave duke përdorur nanokristalet e 1. Rezultatet tregojnë se sinteza ultrasonike është një qasje e thjeshtë, efikase, me kosto të ulët dhe miqësore me mjedisin për përftimin e MOF-ve në shkallë nanometrike.
MOF 1 u sintetizua me metodën ultrasonike në temperaturën e mjedisit dhe në presion atmosferik për kohë të ndryshme reaksioni, përkatësisht 5, 10, 30 dhe 90 min. U krye gjithashtu një eksperiment kontrolli për të sintetizuar përbërjen 1 me metodën hidrotermike dhe strukturat u konfirmuan me IR, analizë elementare dhe analizë Rietveld të difraktogrameve të difraksionit të rrezeve X të pluhurit (XRD), duke përdorur WinPLOTR dhe Fullprof¹³. Çuditërisht, reaksioni i dihidratit të acetatit të zinkut me acidin benzen-1,3,5-trikarboksilik (H₃BTC) në 20% etanol në ujë (v/v), nën rrezatim ultrasonik në temperaturën dhe presionin e mjedisit për 5 min, dha 1 me një rendiment jashtëzakonisht të lartë (75,3%, bazuar në H₃BTC). Gjithashtu, rendimenti i 1 u rrit gradualisht nga 78,2% në 85,3% me rritjen e kohës së reaksionit nga 10 në 90 min. Ky rezultat sugjeron se sinteza e shpejtë e MOF-së mund të realizohet me një rendiment dukshëm të lartë duke përdorur sonikimin. Krahasuar me sintezën hidrotermike të së njëjtës përbërje MOF 1, e cila kryhet në 140°C në presion të lartë për 24 h, sinteza ultrasonike rezulton të jetë një metodë shumë efikase me rendiment të lartë dhe kosto të ulët.
Meqë nuk u përftua asnjë produkt nga përzierja e acetatit të zinkut me H3BTC në të njëjtin mjedis reaksioni, në temperaturën dhe presionin e mjedisit, në mungesë të ultratingujve, mund të arrihet në përfundimin se sonikimi luan një rol të rëndësishëm gjatë formimit të MOF 1.
 

Sinteza e lehtë e strukturave supramolekulare duke përdorur sonikimin – lexoni më shumë!

Gjeni pajisjet më të mira sonokimike për procesin tuaj!

Hielscher Ultrasonics ka përvojë shumëvjeçare në projektimin dhe prodhimin e ultrasonikatorëve dhe reaktorëve sonokimikë të fuqishëm e të besueshëm. Hielscher përmbush kërkesat e aplikimit tuaj me gamën e gjerë të pajisjeve ultrasonike – nga pajisjet e vogla laboratorike te ultrasonikatorët e tavolinës dhe pilot e deri tesistemet plotësisht industriale për prodhim sonokimik në shkallë tregtare. Një shumëllojshmëri e madhe sonotrodash, përforcuesish të amplitudës, reaktorësh, qelizash rrjedhjeje, kutish për reduktimin e zhurmës dhe aksesorësh mundëson konfigurimin optimal të pajisjeve për reaksionin tuaj sonokimik. Sonikatorët Hielscher janë shumë të qëndrueshëm, të ndërtuar për funksionim 24/7 dhe kërkojnë vetëm shumë pak mirëmbajtje.