การเตรียมโครงข่ายโลหะ–อินทรีย์ (MOFs) ด้วยอัลตราซาวนด์
- โครงข่ายโลหะ–อินทรีย์เป็นสารประกอบที่เกิดจากไอออนโลหะและโมเลกุลอินทรีย์ โดยก่อให้เกิดวัสดุลูกผสมหนึ่ง สอง หรือสามมิติ โครงสร้างลูกผสมเหล่านี้อาจมีรูพรุนหรือไม่มีรูพรุน และมีสมบัติการทำงานที่หลากหลาย
- การสังเคราะห์ MOFs ด้วยวิธีโซโนเคมีเป็นเทคนิคที่มีแนวโน้มดี เนื่องจากสามารถผลิตผลึกโลหะ–อินทรีย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
- การผลิต MOFs ด้วยอัลตราซาวนด์สามารถขยายขนาดได้อย่างเป็นเชิงเส้น ตั้งแต่การเตรียมตัวอย่างขนาดเล็กในห้องปฏิบัติการไปจนถึงการผลิตเชิงพาณิชย์เต็มรูปแบบ
โครงข่ายโลหะ–อินทรีย์
โครงข่ายโลหะ–อินทรีย์แบบผลึก (MOFs) จัดอยู่ในกลุ่มวัสดุพรุนที่มีศักยภาพสูง ซึ่งสามารถใช้ในการกักเก็บก๊าซ การดูดซับ/การแยก การเร่งปฏิกิริยา ใช้เป็นตัวดูดซับ ใช้ในงานด้านแม่เหล็ก การออกแบบเซนเซอร์ และการนำส่งยา โดยทั่วไป MOFs เกิดจากการประกอบตัวเอง โดยหน่วยโครงสร้างทุติยภูมิ (SBUs) เชื่อมต่อกับตัวเชื่อมอินทรีย์ (ลิแกนด์) เพื่อสร้างโครงข่ายที่ซับซ้อน สามารถปรับเปลี่ยนตัวเชื่อมอินทรีย์หรือ SBUs ที่เป็นโลหะเพื่อควบคุมความพรุนของ MOF ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อสมบัติการทำงานและประโยชน์ในการใช้งานเฉพาะด้าน
เครื่องโซนิเคเตอร์แบบโพรบ – ในภาพนี้คือ Hielscher รุ่น UP400St – ช่วยให้สังเคราะห์โครงสร้างระดับนาโน เช่น MOFs ได้ง่ายขึ้น
การสังเคราะห์ MOFs ด้วยวิธีโซโนเคมี
การฉายคลื่นอัลตราซาวนด์และคาวิเทชันที่เกิดขึ้นเป็นที่รู้จักกันดีว่ามีผลเฉพาะต่อปฏิกิริยาเคมี ซึ่งเรียกว่าโซโนเคมี การยุบตัวอย่างรุนแรงของฟองคาวิเทชันทำให้เกิดจุดร้อนเฉพาะที่ซึ่งมีอุณหภูมิชั่วขณะสูงอย่างยิ่ง (5000 K) ความดัน (1800 atm) และอัตราการเย็นตัว (1010Ks-1) รวมทั้งคลื่นกระแทกและลำเจ็ตของเหลวที่เกิดขึ้นตามมา ที่จุดร้อนจากคาวิเทชันเหล่านี้ การเกิดนิวเคลียสและการเติบโตของผลึก เช่น ผ่านการสุกตัวแบบ Ostwald จะถูกเหนี่ยวนำและส่งเสริม อย่างไรก็ตาม ขนาดอนุภาคถูกจำกัด เนื่องจากจุดร้อนเหล่านี้มีอัตราการเย็นตัวสูงอย่างยิ่ง ซึ่งหมายความว่าอุณหภูมิของตัวกลางปฏิกิริยาลดลงภายในเวลาไม่กี่มิลลิวินาที
เป็นที่ทราบกันว่าอัลตราซาวนด์สามารถสังเคราะห์ MOFs ได้อย่างรวดเร็วภายใต้สภาวะกระบวนการที่ไม่รุนแรง เช่น ไม่ใช้ตัวทำละลาย ที่อุณหภูมิห้อง และภายใต้ความดันแวดล้อม งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าสามารถผลิต MOFs ด้วยวิธีโซโนเคมีได้อย่างคุ้มค่าด้วยผลได้สูง ท้ายที่สุด การสังเคราะห์ MOFs ด้วยวิธีโซโนเคมีเป็นวิธีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
การเตรียม MOF-5
ในการศึกษาของ Wang และคณะ (2011) ได้สังเคราะห์ Zn4O[1,4-benzenedicarboxylate]3 ด้วยวิธีโซโนเคมี โดยเริ่มจากละลาย 1.36g H2BDC และ 4.84g Zn(NO3)2·6H2O ใน 160mL DMF จากนั้นเติม 6.43g TEA ลงในส่วนผสมขณะฉายคลื่นอัลตราซาวนด์ หลังจาก 2 h เก็บตะกอนที่ไม่มีสีด้วยการกรองและล้างด้วย DMF ทำให้ของแข็งแห้งที่ 90°C ภายใต้สุญญากาศ แล้วเก็บไว้ในโถดูดความชื้นแบบสุญญากาศ
การเตรียม MOF ที่มีรูพรุนขนาดไมโคร Cu3(BTC)2
Li และคณะ (2009) รายงานการสังเคราะห์โครงข่ายโลหะ–อินทรีย์ (MOF) แบบสามมิติ (3-D) ที่มีช่องทาง 3-D เช่น Cu3(BTC)2 (HKUST-1, BTC = benzene-1,3,5-tricarboxylate) ด้วยอัลตราซาวนด์อย่างมีประสิทธิภาพ ปฏิกิริยาระหว่างคิวปริกอะซีเตตกับ H3BTC ในสารละลายผสม DMF/EtOH/H2O (3:1:2, v/v) ภายใต้การฉายคลื่นอัลตราซาวนด์ที่ อุณหภูมิแวดล้อม และ ความดันบรรยากาศ โดยใช้ เวลาปฏิกิริยาสั้น (5–60 min) ให้ Cu3(BTC)2 ด้วย ผลได้สูง (62.6–85.1%) ผลึกนาโน Cu3(BTC)2 เหล่านี้มีขนาดอยู่ในช่วง 10–200 nm ซึ่งมีขนาด เล็กกว่าอย่างมาก เมื่อเทียบกับผลึกที่สังเคราะห์ด้วยวิธีโซลโวเทอร์มอลแบบดั้งเดิม ไม่พบความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในสมบัติทางเคมีกายภาพ เช่น พื้นที่ผิว BET ปริมาตรรูพรุน และความสามารถในการกักเก็บไฮโดรเจน ระหว่างผลึกนาโน Cu3(BTC)2 ที่เตรียมด้วยวิธีอัลตราซาวนด์กับผลึกขนาดไมโครที่ได้จากวิธีโซลโวเทอร์มอลที่ปรับปรุงแล้ว เมื่อเทียบกับเทคนิคการสังเคราะห์แบบดั้งเดิม เช่น เทคนิคการแพร่ของตัวทำละลาย วิธีไฮโดรเทอร์มอล และวิธีโซลโวเทอร์มอล พบว่าวิธีอัลตราซาวนด์สำหรับสร้าง MOFs ที่มีรูพรุนมี ประสิทธิภาพสูง และ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า.
การเตรียม MOF ของ Mg(II) แบบหนึ่งมิติ
Tahmasian และคณะ (2013) รายงานวิธีที่มี ประสิทธิภาพ, ต้นทุนต่ำ และ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม สำหรับผลิตโครงข่ายโลหะ–อินทรีย์ (MOF) ระดับเหนือโมเลกุลแบบ 3D ที่มี MgII เป็นองค์ประกอบพื้นฐาน ได้แก่ {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H2O}n (H3L = 4,5-imidazole-dicarboxylic acid) โดยใช้วิธีที่มีอัลตราซาวนด์ช่วย
{[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H2O}n ที่มีโครงสร้างระดับนาโนถูกสังเคราะห์ด้วยวิธีโซโนเคมีดังต่อไปนี้ ในการเตรียม {[Mg(HIDC)(H2O)2]⋅1.5H2O}n (1) ขนาดนาโน ใช้สารละลาย 20 mL ของลิแกนด์ H3IDC (0.05M) และโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (0.1 M) โดยวางโพรบอัลตราซาวนด์ความหนาแน่นสูงที่มีกำลังขาออกสูงสุด 305 W ลงในสารละลาย จากนั้นเติมสารละลายแมกนีเซียมไนเตรตในน้ำ (0.05M) ปริมาตร 20 mL ลงในสารละลายนี้ทีละหยด กรองตะกอนที่ได้ออก ล้างด้วยน้ำและเอทานอล แล้วทำให้แห้งในอากาศ (จุดหลอมเหลว> 300ºC. (ค่าที่พบ: C, 24.84; H, 3.22; N, 11.67%.). IR (cm-1) แถบที่เลือก: 3383 (w), 3190 (w), 1607 (br), 1500 (m), 1390 (s), 1242 (m), 820 (m), 652 (m)).
เพื่อศึกษาผลของความเข้มข้นของสารตั้งต้นต่อขนาดและสัณฐานวิทยาของสารประกอบที่มีโครงสร้างระดับนาโน ได้ดำเนินกระบวนการข้างต้นภายใต้เงื่อนไขความเข้มข้นของสารตั้งต้นดังนี้: [HL2−] = [Mg2+] = 0.025 M.
การสังเคราะห์ MOFs เรืองแสงที่มีรูพรุนขนาดไมโครด้วยอัลตราซาวนด์
Qiu และคณะ (2008) พบวิธีโซโนเคมีสำหรับการสังเคราะห์ MOF เรืองแสงที่มีรูพรุนขนาดไมโครอย่างรวดเร็ว ได้แก่ Zn3(BTC)2⋅12H2O (1) และการตรวจจับสารอินทรีย์กลุ่มเอมีนอย่างเลือกจำเพาะโดยใช้ผลึกนาโนของ 1 ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าการสังเคราะห์ด้วยอัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่เรียบง่าย มีประสิทธิภาพ ต้นทุนต่ำ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับการผลิต MOFs ระดับนาโน
MOF 1 ถูกสังเคราะห์ด้วยวิธีอัลตราซาวนด์ที่อุณหภูมิแวดล้อมและความดันบรรยากาศ โดยใช้เวลาปฏิกิริยาต่างกันที่ 5, 10, 30 และ 90 min ตามลำดับ นอกจากนี้ ยังดำเนินการทดลองควบคุมเพื่อสังเคราะห์สารประกอบ 1 ด้วยวิธีไฮโดรเทอร์มอล และยืนยันโครงสร้างด้วย IR การวิเคราะห์ธาตุ และการวิเคราะห์แบบ Rietveld ของรูปแบบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของผง (XRD) โดยใช้ WinPLOTR และ Fullprof13 เป็นที่น่าประหลาดใจว่า ปฏิกิริยาระหว่างซิงก์อะซีเตตไดไฮเดรตกับ benzen-1,3,5-tricarboxylic acid (H3BTC) ในเอทานอล 20% ในน้ำ (v/v) ภายใต้การฉายคลื่นอัลตราซาวนด์ที่อุณหภูมิและความดันแวดล้อมเป็นเวลา 5 min ให้ 1 ด้วยผลได้สูงอย่างโดดเด่น (75.3% โดยอิงจาก H3BTC) นอกจากนี้ ผลได้ของ 1 ยังเพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไปจาก 78.2% เป็น 85.3% เมื่อเพิ่มเวลาปฏิกิริยาจาก 10 เป็น 90 min ผลนี้บ่งชี้ว่าสามารถสังเคราะห์ MOF ได้อย่างรวดเร็วด้วยผลได้สูงอย่างมีนัยสำคัญโดยใช้การโซนิเคชัน เมื่อเทียบกับการสังเคราะห์สารประกอบเดียวกัน คือ MOF 1 ด้วยวิธีไฮโดรเทอร์มอล ซึ่งดำเนินการที่ 140°C ภายใต้ความดันสูงเป็นเวลา 24 h พบว่าการสังเคราะห์ด้วยอัลตราซาวนด์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสูง ให้ผลได้สูง และมีต้นทุนต่ำ
เนื่องจากไม่พบผลิตภัณฑ์เมื่อผสมซิงก์อะซีเตตกับ H3BTC ในตัวกลางปฏิกิริยาเดียวกันที่อุณหภูมิและความดันแวดล้อมโดยไม่มีอัลตราซาวนด์ จึงสรุปได้ว่าการโซนิเคชันมีบทบาทสำคัญระหว่างการเกิด MOF 1
การสังเคราะห์โครงสร้างระดับเหนือโมเลกุลอย่างง่ายด้วยการโซนิเคชัน – อ่านเพิ่มเติม!
ค้นหาอุปกรณ์โซโนเคมีที่ดีที่สุดสำหรับกระบวนการของคุณ!
Hielscher Ultrasonics มีประสบการณ์ยาวนานในการออกแบบและผลิตเครื่องอัลตราซาวนด์และเครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมีที่ทรงพลังและเชื่อถือได้ Hielscher ตอบสนองความต้องการในการใช้งานของคุณด้วยอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ที่หลากหลาย – ตั้งแต่ อุปกรณ์ห้องปฏิบัติการ ขนาดเล็ก ไปจนถึงเครื่องอัลตราซาวนด์ แบบตั้งโต๊ะ และ ระดับนำร่อง ตลอดจน ระบบอุตสาหกรรม เต็มรูปแบบสำหรับการผลิตด้วยวิธีโซโนเคมีในระดับเชิงพาณิชย์ โซโนโทรด ตัวเพิ่มแอมพลิจูด เครื่องปฏิกรณ์ เซลล์การไหล ตู้ลดเสียงรบกวน และอุปกรณ์เสริมที่หลากหลาย ช่วยให้สามารถจัดชุดอุปกรณ์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับปฏิกิริยาโซโนเคมีของคุณ เครื่องโซนิเคเตอร์ของ Hielscher มีความทนทานสูงมาก ออกแบบสำหรับการทำงาน 24/7 และต้องการการบำรุงรักษาเพียงเล็กน้อยมาก
โครงข่ายโลหะ–อินทรีย์สามารถสังเคราะห์ได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยวิธีโซโนเคมี
วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง
- Alireza Zirehpour, Ahmad Rahimpour, Mathias Ulbricht (2017): Nano-sized metal organic framework to improve the structural properties and desalination performance of thin film composite forward osmosis membrane. Journal of Membrane Science, Volume 531, 2017. 59-67.
- Maryam Jouyandeh, Henri Vahabi, Mohammad Reza Saeb, Christian Serre (2021): Amine-functionalized metal–organic frameworks/epoxy nanocomposites: Structure-properties relationships. Journal of Applied Polymer Science, Volume138, Issue39, October 15, 2021.
- Farideh Abbasloo, Seyed Abdolmajid Khosravani, Mehrorang Ghaedi, Kheibar Dashtian, Ebrahim Hosseini, Leila Manzouri, Seyed Sajjad Khorramrooz, Asghar Sharifi, Ramin Jannesar, Farzad Sadri (2018): Sonochemical-solvothermal synthesis of guanine embedded copper based metal-organic framework (MOF) and its effect on oprD gene expression in clinical and standard strains of Pseudomonas aeruginosa. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 42, 2018. 237-243.
- Qiu, Ling-Guang; Li, Zong-Qun; Wu, Yun; Wang, Wei; Xu, Tao; Jiang, Xia (2008): Facile synthesis of nanocrystals of a microporous metal–organic framework by an ultrasonic method and selective sensing of organoamines. Chemical Communication 2008, 3642–3644.