Ultraljudsberedning av metallorganiska ramverk (MOFs)

• Metallorganiska ramverk är föreningar bildade av metalljoner och organiska molekyler så att ett en-, två- eller tredimensionellt hybridmaterial skapas. Dessa hybridstrukturer kan vara porösa eller icke-porösa och erbjuda många funktioner.
• Den sonokemiska syntesen av MOFs är en lovande teknik eftersom de metallorganiska kristallerna produceras mycket effektivt och miljövänligt.
• Ultraljudsproduktionen av MOFs kan skalas upp linjärt från beredning av små prover i labbet till full kommersiell produktion.

metallorganiska ramverk

Kristallina metallorganiska ramverk (MOFs) faller inom kategorin porösa material med hög potential, som kan användas vid gaslagring, adsorption/separation, katalys, som adsorbenter, inom magnetism, sensordesign och läkemedelsleverans. MOFs bildas vanligtvis genom självmontering där sekundära byggnadsenheter (SBU) kopplas samman med organiska distanser (ligander) för att skapa komplexa nätverk. De organiska distanserna eller de metalliska SBU:erna kan modifieras för att kontrollera MOF:ens porositet, vilket är avgörande för dess funktionalitet och dess användbarhet för särskilda applikationer.

Sonokemisk syntes av MOFs

Ultraljudsbestrålning och den därav genererade Kavitation är välkända för sina unika effekter på kemiska reaktioner, kända som Sonokemi. Den våldsamma implosionen av kavitationsbubblor genererar lokala heta fläckar med extremt höga transienta temperaturer (5000 K), tryck (1800 atm) och kylningshastigheter (10¹⁰Ks^-1) samt stötvågor och resulterande vätskestrålar. Vid dessa kavitationell hot spots, induceras och främjas kristallkärnbildningen och tillväxten, t.ex. genom Ostwald-mognad. Partikelstorleken är dock begränsad eftersom dessa heta fläckar kännetecknas av extrema kylningshastigheter, vilket innebär att temperaturen på reaktionsmediet faller inom millisekunder.
Ultraljud är känt för att syntetisera MOFs snabbt under Mild processförhållanden, t.ex. fri från lösningsmedelvid rumstemperatur och inom ramen för Omgivningstryck. Studier har visat att MOFs kan produceras kostnadseffektivt vid Hög avkastning via sonokemisk väg. Slutligen kommer sonokemisk syntes av MOFs är en grön, miljövänlig metod.

Förberedelse av MOF-5

I studien av Wang et al (2011), Zn₄O[1,4-bensendikarboxylat]₃ syntetiserades via sonokemisk väg. 1,36 g H₂BDC och 4.84g Zn(NO₃)₂·6H₂O löstes upp i 160 ml DMF. Sedan tillsattes 6,43 g TEA till blandningen under ultraljudsbestrålning. Efter 2 timmar samlades den färglösa fällningen upp genom filtrering och tvättades med DMF. Det fasta ämnet torkades vid 90 °C i vakuum och lagrades sedan i en vakuumexsickator.

Beredning av mikroporös MOF Cu₃(BTC)₂

Li et al. (2009) rapporterar den effektiva ultraljudssyntesen av tredimensionellt (3-D) metall-organiskt ramverk (MOF) med 3-D-kanaler, såsom Cu₃(BTC)₂ (HKUST-1, BTC = bensen-1,3,5-trikarboxylat). Reaktionen mellan kopparacetat och H₃BTC i en blandad lösning av DMF/EtOH/H₂O (3:1:2, v/v) under ultraljudsbestrålning vid Omgivningstemperatur och lufttryck för korta reaktionstider (5–60 min) gav Cu₃(BTC)₂ I Hög avkastning (62.6–85.1%). Dessa Cu₃(BTC)₂ nanokristaller har dimensioner i storleksintervallet 10–200 nm, vilket är mycket mer än mindre än de som syntetiseras med konventionell solvotermisk metod. Det fanns inga signifikanta skillnader i fysikalisk-kemiska egenskaper, t.ex. BET-yta, porvolym och vätelagringskapacitet, mellan Cu₃(BTC)₂ nanokristaller framställda med ultraljudsmetoden och mikrokristallerna erhållna med hjälp av förbättrad solvotermisk metod. Jämfört med traditionella syntetiska tekniker, såsom lösningsmedelsdiffusionsteknik, hydrotermiska och solvotermiska metoder, visade sig ultraljudsmetoden för konstruktion av porösa MOFs vara mycket Effektiv och mer miljövänlig.

Beredning av en endimensionell Mg(II) MOF

Tahmasian et al. (2013) rapporterar en Effektiv, Låg kostnadoch miljövänlig väg för att producera ett 3D supramolekylärt metallorganiskt ramverk (MOF) baserat på MgII, {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_N (H3L = 4,5-imidazol-dikarboxylsyra) genom ultraljudsassisterad administrering.
Nanostrukturerad {[Mg(HIDC)(H₂O)₂]⋅1.5H₂O}_N syntetiserades via följande sonokemisk väg. För att förbereda nanostorlek {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H₂O}n (1), 20 ml av en lösning av liganden 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) Valda band: 3383 (W), 3190 (W), 1607 (BR), 1500 (m), 1390 (S), 1242 (m), 820 (m), 652 (m)).
För att studera effekten av koncentrationen av initiala reagenser på storlek och morfologi hos nanostrukturerad förening, gjordes ovanstående processer under följande koncentrationsförhållanden för initiala reagens: [HL2−] = [Mg2+] = 0,025 M.

Sono-syntes av fluorescerande mikroporösa MOFs

Qiu et al. (2008) fann en sonokemisk snabb syntes av fluorescerande mikroporös MOF, Zn₃(BTC)₂⋅12 timmar₂O (1) och selektiv avkänning av organiska aminer med hjälp av nanokristaller av 1. Resultaten visar att ultraljud syntes är en enkel, effektiv, billig och miljövänlig metod för MOFs i nanoskala.
MOF 1 syntetiserades med hjälp av ultraljudsmetoden vid en omgivande temperatur och atmosfärisk tryck för olika reaktionstider på 5, 10, 30 respektive 90 min. Ett kontrollexperiment utfördes också för att syntetisera förening 1 med hjälp av den hydrotermiska metoden, och strukturerna bekräftades genom IR, elementaranalys och Rietveld-analys av pulverröntgendiffraktionsmönstren (XRD) med hjälp av WinPLOTR och Fullprof¹³. Överraskande nog är reaktionen av zinkacetatdihydrat med bensen-1,3,5-trikarboxylsyra (H₃BTC) i 20% etanol i vatten (v/v) under ultraljudsbestrålning vid omgivningstemperatur och tryck i 5 minuter gav 1 i en anmärkningsvärt Hög avkastning (75,3 %, baserat på H₃BTC). Dessutom ökade utbytet av 1 gradvis från 78,2 % till 85,3 % med en ökning av reaktionstiden från 10 till 90 min. Detta resultat tyder på att Snabb syntes av MOF kan realiseras på ett betydligt bättre sätt än Hög avkastning med hjälp av ultraljudsmetod. Jämfört med hydrotermisk syntes av samma förening MOF 1, som utförs vid 140 °C vid högt tryck i 24 timmar,12 har ultraljudssyntes visat sig vara en mycket effektiv metod med högt utbyte och Låg kostnad.
Eftersom ingen produkt erhölls genom att blanda zinkacetat med H3BTC i samma reaktionsmedium vid omgivningstemperatur och tryck i frånvaro av ultraljud, ultraljudsbehandling måste spela en viktig roll under bildandet av MOF 1.

Ultraljudsprocesser: Från labb till industriell Skala

Sonokemisk utrustning

Hielscher Ultrasonics har lång erfarenhet av design och tillverkning av kraftfulla och pålitliga ultraljudsapparater och sonokemiska reaktorer. Hielscher täcker dina applikationskrav med sitt breda utbud av ultraljudsenheter – från liten Labb-enheter över Bänk-topp och pilot ultraljudsapparater upp till full-Industriella system för sonokemisk produktion i kommersiell skala. Ett stort utbud av sonotroder, booster, reaktorer, flödesceller, brusreduceringsboxar och tillbehör gör det möjligt att konfigurera den optimala inställningen för din sonokemisk reaktion. Hielschers ultraljudsapparater är mycket Robust, byggd för 24/7 drift och behöver bara mycket lite underhåll.