Metaalorganische raamwerken (MOF's) zijn een veelbelovende klasse van materialen die veel toepassingen hebben als katalysatoren, sensoren en voor gasopslag. Op grote schaal bestudeerd in de afgelopen twee decennia, MOF's worden meestal geproduceerd met behulp van chemische processen die hoge hitte en hoge druk vereisen.

Nutsvoorzieningen, De chemici van de Universiteit van Delaware, Joel Rosenthal en Eric Bloch, melden dat het mogelijk is om MOF-materialen op ijzerbasis rechtstreeks te produceren met behulp van hernieuwbare elektriciteit bij kamertemperatuur.

De door UD ontwikkelde methode is 96% efficiënt in het gebruik van elektriciteit om snel de MOF-materialen te vormen, betrouwbaar en goedkoop. De UD-onderzoekers rapporteerden de vooruitgang in een nieuw artikel gepubliceerd in ACS Centrale Wetenschap .

Volgens Rosenthal, hoogleraar scheikunde en biochemie aan het UD's College of Arts and Sciences, een gemakkelijke manier om over MOF's na te denken, is om je knutselspeelgoed voor te stellen, waar clusters van metaalatomen de houten wielen van het speelgoed voorstellen en kleine organische moleculen de spichtige stokjes die de clusters met elkaar verbinden.

Daartussen bevinden zich vides met een enorm potentieel voor chemische opslag en scheidingen. Bijvoorbeeld, een stapel MOF-materiaal ter grootte van een erwt heeft een intern oppervlak ter grootte van twee voetbalvelden dat kan worden gebruikt om gassen zoals methaan of waterstof op te slaan, scheiden gassen en katalyseren reacties. Ze kunnen zelfs als sensoren worden gebruikt.

"De kwaliteit van de materialen die we kunnen produceren is zo goed als wat je zou verwachten van de beste thermische methoden, maar veel schaalbaarder en duurzamer, " zei Rosenthal, een expert in elektrochemie. "Onze ontdekking is een grote stap voorwaarts om MOF's een meer praktische optie te maken voor veel verschillende toepassingen."

Elektriciteit drijft de chemie

Een uitdaging die MOF's tot academische laboratoria heeft beperkt, is dat het moeilijk en niet bijzonder milieuvriendelijk is om ze op grote schaal te maken. Dus, Rosenthal kwam op het idee om elektriciteit te gaan gebruiken om de synthese van MOF's op gang te brengen. Door elektriciteit te gebruiken, kan de hoeveelheid energie die in een synthetisch proces wordt geïntroduceerd eenvoudig bij kamertemperatuur worden aangepast, een veiligere manier creëren om MOF's te maken zonder de hoge temperaturen, hoge drukken en soms giftige reagentia die normaal worden gebruikt.

Rijd naar de voet van de Delaware Memorial Bridge en aan zowel de kant van Delaware als New Jersey zie je chemiefabrieken die elk zo groot zijn als een kleine arena of stadion. Deze fabrieken herbergen een paar reactoren die een handvol verschillende chemische reacties uitvoeren om chemicaliën nuttig te maken voor de samenleving.

"Om veel thermische chemische processen efficiënt uit te voeren op commerciële schaal of op basis van goederen, zijn over het algemeen deze grote footprints en zeer dure infrastructuur nodig, maar elektrochemie biedt een manier om deze regels te overtreden, " zei Rosenthal. "Je hoeft geen gigantische elektrochemische fabriek te bouwen om een ​​elektrochemische methode efficiënt op te schalen. Elektrosynthese is vaak veel veelzijdiger in termen van vertaling van een academisch laboratorium naar de commerciële markt."

De chemie is niet zo simpel als een kind dat in de woonkamer zit en wielen en stokken verbindt, Hoewel. Vooruitgang in MOF-synthese tot nu toe is beperkt door de combinaties van metalen die kunnen worden gebruikt en de soorten synthetische en organische materialen die kunnen worden gecombineerd met behulp van thermische benaderingen.

Het artikel richt zich specifiek op het voorbereiden van MOF-materialen met behulp van clusters van ijzeratomen. Rosenthal en Bloch zijn niet de eersten die ijzeren MOF's maken. traditioneel, Rosenthal legde uit, onderzoekers maken deze materialen door een ijzer (3+) zout te nemen, een organisch molecuul en een relatief duur oplosmiddel dat onder bepaalde reactieomstandigheden ontleedt en dit alles in een afgesloten container minstens een dag onder hoge druk opwarmt, soms meerdere dagen, dan openmaken en kijken wat ze krijgen.

Daarentegen, hij en Bloch beginnen met een oplossing met oplosmiddel, organische moleculen en ijzer (2+) ionen, die een extra elektron hebben dat de manier waarop het ijzer zich gedraagt ​​verandert. De onderzoekers gebruiken een elektrode gemaakt van koolstof of een soort geleidend glas om elektriciteit door de oplossing te leiden en de lading van de metaaldeeltjes in de oplossing te veranderen van ijzer (2+) naar ijzer (3+). Het is als een schakelaar, het ijzer sterker geladen maken, zodat het de MOF kan produceren op een manier die direct en efficiënt is, zonder nevenreacties of effecten die typisch zijn voor traditionele thermische chemische methoden.

"Terwijl de elektrode elektronen van ijzer opneemt, dat ijzer gaat en vindt een organische linker en maakt wat MOF. Het is bijna 100% efficiënt, in dat elk elektron dat we verplaatsen resulteert in MOF-synthese. Er zijn geen nevenreacties of ongewenste producten, " zei Blok, een assistent-professor scheikunde en biochemie die gespecialiseerd is in metalen organische raamwerken en adsorberende materialen.

Verder, als de juiste soort elektrode wordt gebruikt, het is mogelijk om meer te doen dan het MOF-product te maken en te verzamelen. Het onderzoeksteam kan het materiaal direct op het elektrisch geleidende substraat laten groeien, een voordeel waardoor MOF's kunnen worden gebruikt in verschillende apparaten en patroonondersteuningen, geavanceerde MOF-sensoren binnen handbereik brengen.

Rosenthal legde uit dat om van een MOF een sensor te maken, je een manier nodig hebt om het te verbinden met een elektrisch geleidende ondersteuning om een ​​uitlezing te krijgen. Dit is niet iets dat de onderzoeksgemeenschap had bedacht hoe ze het goed moesten doen, tot nu, hij zei. Het elektrochemisch synthetiseren en laten groeien van de MOF op de elektrodesteun van het UD-team biedt een manier om de MOF vast te leggen voor een betere communicatie tussen materialen.

Een manier waarop deze technologie kan worden gebruikt, is in miniatuursensoren, misschien in mobiele telefoons om de luchtkwaliteit te meten of om selectief deeltjes in de lucht te detecteren als onderdeel van veiligheidsmaatregelen op luchthavens.

"Het waarnemen van gassen en moleculen kan nu vrij eenvoudig zijn, vergelijkbaar met de manier waarop uw rookmelder werkt om het ene type gas boven het andere te detecteren op basis van zijn reactiviteit, ' zei Blok.

De elektrosynthetische reactie is snel, te, waardoor MOF-poeder zich binnen enkele minuten in de oplossing vormt. En hoewel materialen die te lang in oplossing blijven, vaak na verloop van tijd afbreken of door nevenreacties een ander materiaal worden, MOF-materialen die via elektrosynthese zijn gemaakt, zijn stabiel en nestelen zich eenvoudig op de bodem van de flacon. Omdat het elektrosynthetische proces bij kamertemperatuur wordt uitgevoerd, materiële ontbinding is veel minder een zorg.

Hoe langer de elektrolyse duurt, hoe groter de hoeveelheid MOF-materiaal die als product kan worden overgeheveld. De eenvoud van de methode maakt het veelzijdig in termen van het vertalen van een academische laboratoriumbank naar de commerciële markt, te, aldus de onderzoekers.

Afstudeerstudent Anna Wever, een co-auteur op het papier, kwam pas deze zomer bij UD aan, maar Rosenthal zei dat ze een sleutelrol speelde bij het aantonen van de effectiviteit van de methode van het team. Weaver voerde verschillende experimenten in een laat stadium uit die aanvullende gegevens voor het papier opleverden.

"Anna's vermogen om zo snel een bijdrage te leveren, spreekt zowel over haar talenten als het gemak waarmee deze chemie kan worden uitgevoerd. Er is geen duistere kunst voor nodig om dit te laten werken, " hij zei.

Elektrisch aangedreven chemie opent ook de deur naar het verkennen van materialen waarvan is voorspeld dat ze uitstekende eigenschappen hebben voor MOF's, zoals die op basis van kobalt, maar blijven onbekend omdat ze onverenigbaar zijn met traditionele chemie die afhankelijk is van warmte om de reactie in gang te zetten.

"Als katalysatoren, we weten dat bepaalde metalen fenomenaal zouden zijn als MOF's, maar de normale methoden werken niet. We denken dat dit een pad is om nieuwe MOF's te maken die stabiel en zeer reactief zijn met totaal andere eigenschappen dan we eerder hebben kunnen bereiken, ' zei Blok.

Andere co-auteurs op het papier zijn huidige of voormalige UD-afgestudeerde studenten in de laboratoria van Rosenthal en Bloch, inclusief Wenbo Wu, Gerald E. Decker en Amanda Arnoff.