Metaal-organische kaders, of MOF's, zijn samengesteld uit metaalionen die periodiek worden omgeven door organische overbruggende moleculen, en deze hybride kristallijne raamwerken hebben een kooiachtige holle structuur. Dit unieke structuurmotief biedt een groot potentieel voor een scala aan toepassingen in energieopslag, chemische transformaties, opto-elektronica, chemiresistief waarnemen, en (foto)elektrokatalyse, onder andere. Debuteerde in de vroege jaren 2000, MOF's zijn een fascinerend nanomateriaal. Hoewel tal van toepassingen MOF's exploiteren, er is weinig bekend over hoe zuurstof kan werken bij de synthese van MOF's.

Onder leiding van directeur Rodney S. Ruoff en senior chemicus Dr. Yi Jiang, scheikundigen van het Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) binnen het Institute for Basic Science (IBS) van het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) hebben in samenwerking met hun collega's van UNIST en Sungkyunkwan University (SKKU) vastgesteld hoe zuurstof de de synthese van een nieuwe MOF; koper 1, 3, 5-triamino-2, 4, 6-benznetriol metaal-organisch raamwerk [Cu ₃ (TABTO) ₂ -MOF]. Hun bevindingen werden gepubliceerd in een recent artikel in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

"Omdat organische redox-actieve liganden meestal gevoelig zijn voor zuurstof, de aanwezigheid van zuurstof wordt niet begunstigd in veel organische reacties. Echter, zuurstof kan nuttig zijn voor de synthese van sommige op redox-actieve liganden gebaseerde MOF's, maar veel scheikundigen realiseerden zich dit niet, " merkt dr. Yi Jiang op, de eerste auteur van de studie. De onderzoekers synthetiseerden een 2-D geconjugeerd MX2Y2-type (M =metaal, X, J =N, S, O, en X ≠ Y) Cu ₃ (TABTO) ₂ -MOF op basis van een redox-actief ligand (1, 3, 5-triamino-2, 4, 6-benzeentriol). De rol van zuurstof bij de synthese van deze MOF werd geïdentificeerd door de resultaten van experimenten in lucht en inert gas (argon) te vergelijken:Pure Cu ₃ (TABTO) ₂ -MOF werd geproduceerd in aanwezigheid van zuurstof, maar de Cu ₃ (TABTO) ₂ -MOF samen met kopermetaal werd gevormd als zuurstof afwezig was. Dr. Jiang voegt toe, "Onze studie suggereert dat zuurstof voorkomt dat deze liganden de Cu (I en II) -ionen reduceren tot Cu-metaal, het vergemakkelijken van de synthese van een pure MOF."

Ze onthulden ook dat Cu ₃ (TABTO) ₂ -MOF werd elektrisch geleidend na chemisch geoxideerd te zijn door jodium vanwege de vorming van CuI en dragers. Het is oorspronkelijk een isolator met bijna geen elektrische geleidbaarheid. De jodium-doping genereert 0,78 siemens per centimeter elektrische geleidbaarheid in de Cu ₃ (TABTO) ₂ -MOF-pellet die in lucht werd gesynthetiseerd. Verdere experimenten en analyse vonden de metallische eigenschappen van de materialen.

Modellering van de structuur via gedetailleerde dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) berekeningen, de onderzoekers hebben ook experimenteel de structuur van deze 2-D MOF bestudeerd door middel van röntgendiffractie, diffuse reflectie UV-vis, Röntgenfoto-elektron, elektron paramagnetische resonantie, en Raman-spectroscopieën.

"Ons werk heeft bijgedragen aan een fundamenteel begrip van de rol van zuurstof bij de synthese van op redox-actieve liganden gebaseerde MOF's, en zou de gemeenschap moeten inspireren om meer aandacht te besteden aan de rol die zuurstof kan spelen bij de synthese van op redox-actieve liganden gebaseerde MOF's, " zegt directeur Rodney S. Ruoff, de corresponderende auteur van de studie. Dr. Jiang legt verder uit, "Het meeste werk op dit gebied was gericht op de synthese van MX4-type (M =metaal, X =N, O, of S) MOF's op basis van redox-actieve liganden. De synthese van nieuwe elektrisch geleidende MOF's die niet van het MX4-type zijn, is zowel uitdagend als zinvol werk. Zowel de gesynthetiseerde als met jodium gedoteerde Cu ₃ (TABTO) ₂ -MOF's kunnen nuttig zijn in katalyse en energiegerelateerde toepassingen."