기능화의 합성 및 특성 금속 - 유기 프레임 워크
Summary
의도적으로 설계 금속 – 유기 골격 물질의 합성, 활성화 및 특성은 빌딩 블록 (building block)이 호환되지 않거나 원치 않는 형체가 열역학적으로 원하는 형태를 통해 선호하는 아르 특히, 도전이다. 우리는 초 임계 CO 2 건조를 통해 모세 혈관 및 활성화 용매를 이용한 링커 교환, 분말 X-선 회절의 응용 프로그램은 이러한 문제의 일부를 해결할 수있는 방법에 대해 설명합니다.
Abstract
그들은 수많은 산업 및 기술 응용 프로그램에 대한 매력적인 후보가 같은 금속 – 유기 프레임 워크, 연구 관심의 특별한 금액을 받고있다. 그들의 서명 속성은이에게 모두를 구성하고 그들과 함께 작업 때 그러나 일련의 도전을 부여 자신의 초고 다공성이다. (예를 들어, 다른 결정 형체, catenated 유사체) 이하 다공성 및 열역학적으로 더 안정 이성체로 어려움을 초래할 수있는 선택의 다공성 프레임 워크에 링커 / 노드 조립하여 원하는 MOF 화학적, 물리적 기능을 확보하는 것은 종종 우선적으로 기존의 합성 방법에 의해 얻을 수있다. 원하는 제품이 획득되면, 그 특성은 종종 주소 합병증 잠재적 예를 들어, 게스트 분자 손실 또는 microcrystallites의 우선적 인 방향에서 발생하는 전문 기술을 필요로한다. 마지막으로, APPL에 사용 MOFs와 내부 큰 보이드 액세스프레임 워크는 용매 분자 (용매 열 합성의 흔적) 제거하는 동안 붕괴 될 수 있습니다로 가스를 포함 ications는 문제가 될 수 있습니다. 이 논문에서, 우리는 일상적으로 우리가 실험실 해결하거나 이러한 문제를 회피하거나 이용 합성 및 특성 분석 방법을 설명합니다. 방법은 초 임계 CO 2 건조하여 용매 보조 식 링커 교환, 모세관의 분말 X-선 회절, 및 활성화 재료 (캐비티 피난)를 포함한다. 마지막으로, 우리는 좋은 정밀도의 MOFs의 표면적을 추정하도록, 질소 등온선에 브루 나 우어 – 에메 트 – 텔러 분석을 적용하기위한 적절한 압력 영역을 결정하기위한 프로토콜을 제공한다.
Introduction
금속 – 유기 프레임 워크 (MOFs와는) 예를 들어, 아연 2 +, 아연 4 O 6 +, ZR 6 O 4 (OH) 4 12 세 이상), 크롬 (Cr 3 (H 2 O (금속 기반의 노드로 구성된 결정 배위 고분자의 종류 아르 이 그림 1)를 참조하십시오 그들의 높은 주문 (과에 따라서 의무,. 유기 링커로 연결) 6 + 2, 아연이 (COO)는 4) (예를 들어, 디 -, 트리, 테트라와 hexacarboxylates는 1 dipyridyls imidazolates 도달 그들의 탁월한 표면 영역 (결합 특성) 구조의 상부 7,000 ㎡ / g) (3)는 촉매를 수소 저장 4 및 탄소 포집 5,6 이르기까지 응용 슬루위한 매력적인 후보로서 잠재적으로 그들을 부여, 7,8 9,10 빛 수확 감지. 11 놀랍게도, MOFs와는 INTE의 큰 금액을 유발 한하지 않음과학 및 재료 공학 커뮤니티 휴식; 피어 리뷰 저널의 MOFs에 출판물의 수는 현재 연간 출판되는 1,000-1,500 기사, 지난 10 년 동안 기하 급수적으로 증가하고있다.
바람직한 특성을 갖는 MOFs와의 합성은, 그러나, 일련의 도전을 제기. 사실 매력, 즉 자신의 뛰어난 다공성, 그들의 주요 포인트는 특정 MOFs와, 자신의 성공적인 개발을 향한 가장 큰 장애물 중 하나, 제시 할 수있다. 이러한 소재의 프레임 워크 내에서 큰 빈 공간의 존재는 열역학적 안정성에서 detracts; 결과로서, MOFs와 합성되면 드 노보 (즉, solvothermally 한 단계에서, 금속 전구체 및 유기 결합제를 반응시킴으로써), 그 구성 빌딩 블록은 종종로 조립하는 경향과 같은 일부 애플리케이션에 대한 밀도, 낮은 다공성 (이하 바람직한 가스 저장) 유사체. 12 절차 후는에 repr합니다oducibly 바람직한 토폴로지의 구조가 개발되었다 구 MOF 가스 흡착을 필요로 프로세스에서의 응용을 가능하게하기 위해 처리 될 필요가있다. MOFs와는 용액에서 합성되기 때문에, 케이지와 새로 자란 MOF 결정의 채널은 전형적으로 가득 고비 반응 매질로서 사용되는 용제; 모세관 력 하에서 워크의 붕괴를 유발하지 않고, 용매의 제거는 "MOF 활성화"로 알려진 특화된 일련의 절차를 필요로한다. 13 마지막으로, 최종 생성물의 순도를 보장하고 기본적인 특성의 MOFs의 결정적인 연구를 가능하게 엄격하게 자신의 합성에 특징으로 할 필요가있다. MOFs와 종래의 용매에 매우 불용성 배위 중합체라는 사실을 감안할 때,이 프로세스는 종종 물질이 클래스에 대해 특히 개발 몇 가지 기술을 포함한다. 이들 기술의 대부분은 고유 스위트이다 X 선 회절 (XRD)에 의존D는 이러한 결정 성 물질의 높은 수준의 특성을 제공한다.
일반적으로, 이른바 드 노보 합성 방식 MOF는 금속 전구체 (무기 염)과 유기 결합제 사이 한 냄비 용매 열 반응을 이용한다. 이 프레임 워크에 MOF 성분의 배열 위에 작은 제어하고, 생성 된 생성물은 항상 원하는 토폴로지를 가지지 않기 때문에이 방법은 여러 제한 사항에서 겪고있다. 쉬운 (판매 그림 2) 용매를 이용한 링커 교환이 드 노보 MOF 합성과 관련된 문제를 우회 허용 접근 방식을 구현합니다. 14 ~ 16이 방법은 원하는 링커의 농축 된 용액에 쉽게 얻을 수 MOF 결정을 노출 포함, 딸 링커 때까지 완전히 부모의 사람들을 대체합니다. 단결정 투 단결정 방식으로 반응이 진행 – 즉, 링커 위트의 교체에도 불구워크를 힌, 재료는 원래 친 MOF의 토폴로지를 유지한다. 판매는 기본적으로 드 노보에 접근하기 어려운 링커 토폴로지 조합 MOFs와의 합성을 할 수 있습니다. 지금까지,이 방법은 성공적으로 덧붙인 제어, MOF 케이지 (17)의 확장, 높은 에너지 형체 (20) (18, 19) 합성, 촉매 활성 물질 (20, 21) 및 사이트의 분리 개발 등 다양한 합성 MOF 과제를 극복하기 위해 구현되었습니다 반응 시약을 보호 할 수 있습니다. (22)
갓 합성 MOFs와 거의 항상 자신의 합성 과정에서 사용되는 용매로 채워진 채널을 가지고있다. 이 용매는 기체 흡착 특성을 활용하기 위해 프레임 워크에서 제거 될 필요가있다. 통상적으로, 이것은 일반적으로 채널 (N과 같은 고비 점 용매를 용매 교환)에 의해 달성되고, 휘발성 용매로 N '디메틸 포름 아미드, DMF)연장 시간 용매를 대피하는 b) 진공 하에서 MOF 결정을 가열, 또는 이들 두 기법의 c)의 조합 선택의 용매 MOF 결정 담가 에탄올 또는 다이 클로로 메테 인 등을들 수있다. 이러한 활성화 방법은, 그러나, 이러한 가혹한 조건 하에서 워크 붕괴 고통있다 고 – 표면 열역학적 깨지기 많은 MOFs와 적합하지 않다. 광범위한 프레임 워크 붕괴의 발병을 피하면서, MOF의 케이지에서 용매 제거를 허용하는 기술이 과정 동안 초 임계 CO 2 건조를 통해 활성화. 23이며, MOF 구조 내부의 용매를 액체 CO 2로 대체됩니다. CO 2이어서 가열 및 가압 된 초 임계 시점 과거, 결국 프레임 워크에서 증발시킨다. 초 임계 CO 2는 모세관 힘을 갖고 있지 않기 때문에,이 활성화 처리는 MOFs와 종래의 진공 가열 강제력보다 이하이고, 보유챔피언 표면적 MOF 포함한 지금까지 발표 된 초고 브루 나 우어 – 에메 트 – 텔러 (BET) 표면적의 대부분에 액세스를 가능. 3,24,25
이 논문에서, 우리는 판매 된 반응에 대한 좋은 템플릿 역할을하는 대표적인 쉽게 접근 할 수 MOF의 드 노보 합성 기술 -. 가교 – 외륜 프레임 워크 브롬-YOMOF을 26 길고 상대적으로 약하게 결합 된 N, N '- 디 – (4) -pyridylnaphthalenetetracarboxydiimide (dpni) 기둥 용이 메소 -1,2 – 디 (4 – 피리 딜) -1,2 – 에탄 디올 (dped) 등 구조적 SALEM MOF-5를 생성하기 위해 (도 2). 18 더욱이, 우리는 윤곽선으로 교환 될 수있다 필요한 단계는 초 임계 건조시켜 CO 2 SALEM-5를 활성화하고 성공적으로 N 2 등온선을 수집하고 그 BET 표면적을 얻기 위해 수행된다. 우리또한, X-선 결정학 및 MOF로서 특성화 관련된 다양한 기술을 설명 1 H NMR 분광법 (NMR).
Protocol
Representative Results
Discussion
MOF 결정화 합성 조건을 설명하는 여러 파라미터에도 약간의 변형에 의해 억제 될 수있는 섬세한 절차이다. 따라서, 특별한주의가 반응 혼합물을 준비 할 때 수행되어야한다. 불순물에도 소량의 존재가 완전히 결정화를 방지하거나 바람직하지 않은 제품의 결정 형성을 야기하는 것으로 알려진 바와 같이 유기 결합제의 순도는, 합성의 개시에 앞서 1 H NMR에 의해 확인되어야한다. 그들은 온…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 상 DE-FG02-12ER16362에서 에너지, 기초 에너지 과학의 사무실, 화학 과학, 지구 과학 및 생명 과학 부문의 미 교육부에 의해 지원되었다.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog number | Comments/Description |
| 6’’ Pasteur pipet | VWR | 14673-010 | For transferring MOF crystals |
| 9’’ Pasteur pipet | VWR | 14673-043 | For separating liquid solution from MOF crystals |
| 1-dram vials | VWR | For preparation of NMR samples | |
| 2-dram vials | VWR | 66011-088 | For small-scale SALE reactions |
| 4-dram vials | VWR | 66011-121 | For de novo pillared-paddlewheel MOF synthesis |
| NMR tube Grade 7 | VWR | 897235-0000 | |
| NMR instrument Avance III 500 MHz | Bruker | N/A | |
| Oven | VWR | 414004-566 | For solvothermal MOF reactions |
| Sonicator | Branson | 3510-DTH | |
| Balance | Mettler-Toledo | XS104 | |
| Superctitical CO2 dryer | Tousimis™ Samdri® | 8755B | For activation of pillared-paddlewheel MOFs |
| Activation dish | N/A | N/A | |
| Tristar II 3020 | Micromeritics | N/A | For collection of gas isotherms/measurement of BET surface area |
| X-ray diffractometer | Bruker | N/A | Kappa geometry goniometer, CuKα radiation and Powder-diffraction data collection plugin. |
| Capillary tubes | Charles-Supper | Boron-Rich BG07 | Thin walled Boron Rich capillary 0.7mm diameter |
| Beeswax | Huber | WAX | sticky wax for specimen fixation |
| Modeling Clay | Van Aken | Plastalina | |
| CO2 (l) | N/A | N/A | |
| N2 (l) | N/A | N/A | |
| N2 (g) | N/A | N/A | |
| DMF | VWR | MK492908 | For MOF reactions and storage |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 459844 | For solvent exchange before supercritical drying |
| Zn(NO3)2 × 6 H2O | Fluka | 96482 | |
| dped | TCI | D0936 | |
| dpni | Synthesized according to a published procedure | ||
| Br-tcpb | Synthesized according to a published procedure | ||
| D2SO4 | Cambridge Isotopes | DLM-33-50 | For MOF NMR |
| d6-DMSO | Cambridge Isotopes | DLM-10-100 | For MOF NMR |
References
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