Mikrofluidbasert syntese av kovalente organiske rammer (COF): Et verktøy for kontinuerlig produksjon av COF-fibre og direkte utskrift på overflaten
Summary
Vi presenterer en ny mikrofluidisk-basert metode for syntese av kovalente organiske rammer (COFs). Vi demonstrerer hvordan denne tilnærmingen kan brukes til å produsere kontinuerlige COF-fibre, og også 2D- eller 3D-COF-strukturer på overflater.
Abstract
Kovalente organiske rammer (COFs) er en klasse av porøse kovalente materialer som ofte syntetiseres som ubehandlede krystallinske pulvere. Den første COF ble rapportert i 2005 med stor innsats sentrert på etablering av nye syntetiske ruter for utarbeidelse. Til nå er de fleste tilgjengelige syntetiske metoder for COF-syntese basert på bulkblanding under solvotermiske forhold. Derfor er det økende interesse for å utvikle systematiske protokoller for COF-syntese som sørger for fin kontroll over reaksjonsforholdene og forbedrer COF-bearbeiding på overflater, noe som er essensielt for bruk i praktiske anvendelser. Her presenterer vi en ny mikrofluidbasert metode for COF-syntese der reaksjonen mellom to bestanddeler, 1,3,5-benzentrikarbaldehyd (BTCA) og 1,3,5-tris (4-aminofenyl) benzen (TAPB), Foregår under kontrollerte diffusjonsbetingelser og ved romtemperatur. Bruke en slik tilnærming gir svamp-lignende, krysseHøye fibre av et COF-materiale, heretter kalt MF-COF. De mekaniske egenskapene til MF-COF og den dynamiske naturen til tilnærmingen tillater kontinuerlig produksjon av MF-COF-fibre og direkte utskrift på overflater. Den generelle metoden åpner nye potensielle applikasjoner som krever avansert utskrift av 2D eller 3D COF strukturer på fleksible eller stive overflater.
Introduction
Kovalente organiske rammer (COFs) er en veletablert klasse av porøst og krystallinsk materiale hvor de organiske byggeblokkene holdes fast sammen med kovalente bindinger 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . COF er vanligvis samlet etter supramolekylære kjemiske prinsipper, hvor de molekylære byggeblokkene er selektivt omsatt for å definere en endelig og forutbestemt porøs sammenstilling. En slik tilnærming tillater syntese av materialer med kontrollert og bestilt struktur ( f.eks . Med definerte poremått) og sammensetning 3 , 6 , 7 , 8 . Sammenlignet med andre porøse materialer, er COFer unike siden de består av lyse elementer (C, H, B, N og O) og har avstemningsbar poro Sitet 1 , 5 . Inspirert av disse unike og inneboende egenskapene, har COF blitt vurdert for potensiell anvendelse i kjemiske separasjoner 9 , gasslagring 10 og katalyse 11 , sensorer 12 , optoelektronikk 13 , rene energiteknologier 14 og elektrokemiske energiinnretninger 15 .
Til nå er det store flertallet av metoder som brukes til utarbeidelse av COF-materialer, basert på solvotermiske selvkondensasjon og kondensasjonsreaksjoner, hvor høye temperaturer og trykk er standarden. Selv om COF er termisk robust, lider de vanligvis av begrenset prosessibilitet, dvs. COF er vanligvis uoppløselige og ubehandlede krystallinske pulver, og dette begrenser bruken av dem i en rekke potensielle og praktiske anvendelserSs = "xref"> 2 , 6 , 8 , 16 , 17 . Til tross for bemerkelsesverdige fremskritt i COF-syntese er en stor utfordring på feltet å utvikle en metode som gjør det mulig å lage COF i passende reaksjonsforhold ( f.eks . Temperatur og trykk), som deretter kan forenkle deres bearbeidbarhet på overflater.
Nylig har studier vist at Shiff-base kjemi kan brukes til å syntetisere en imin-basert COF ved romtemperatur. COF produserte, kalt RT-COF-1, former på grunn av den raske og effektive reaksjon mellom 1,3,5-tris (4-aminofenyl) benzen (TAPB) og 1,3,5-benzentrikarbaldehyd (BTCA) 17 1A ). Effekten av denne syntetiske metoden ble demonstrert ved direkte utskrift av mikron- og submikronmønstre av RT-COF-1 på både stive og fleksible overflater ved bruk av litografi ellerBlekkskriverteknikker. Mer nylig, og bruk av mikrofluidika, har vi vist en effektiv tilnærming til kontinuerlig syntese av fibre av samme imin-baserte COF, heretter kalt MF-COF 6 . I motsetning til andre rapporterte syntetiske tilnærminger for generering av COF 18 , aktiverte denne mikrofluidiske syntetiske metoden den raske syntese av MF-COF-fibre ved omgivelsestemperaturer og trykk i løpet av få sekunder. Videre, og på grunn av den mekaniske stabiliteten til de syntetiserte MF-COF-fibrene, har vi vist hvordan en slik mikrofluidisk metode kan muliggjøre direkte utskrift av 2D- og 3D-strukturer på overflater. Her demonstrerer vi at denne metoden kan brukes til å tegne COF-strukturer på forskjellige overflater som har forskjellige kjemiske og fysiske egenskaper. Vi tror at denne nye metoden åpner nye veier for godt kontrollert mønster og direkte utskrift av COFer i forskjellige retninger og på forskjellige overflater.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den mikrofluidbaserte syntetiske metoden som er beskrevet her, gir en ny og enkel tilnærming til direkte utskrift av COF-materialer på overflater. Syntese utføres ved bruk av en enkeltlags mikrofluidisk innretning, bestående av en mikrofluidisk PDMS-chip bundet til et glassdeksel. Fremstillingen av den mikrofluidiske anordningen kan oppnås gjennom konvensjonell støping av PDMS mot en silisiummesterform og etterfølgende binding av PDMS med de påtrykte mikrokanaler mot et glassdeksel.
…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkjenner Swiss National Science Foundation (SNF) for økonomisk støtte gjennom prosjektnr. 200021_160174.
Materials
| High resolution film masks | Microlitho, UK | – | Features down to 5um |
| Silicon wafers | Silicon Materials Inc., Germany | 4" Silicon Wafers | Front surface: polished, back surface: etched |
| Silicone Elastomer KIT (PDMS) | Dow Corning, USA | Sylgard 184 | – |
| Chlorotrimethylsilane | Sigma-Aldrich, Switzerland | 386529 | ≥97%, CAUTION: Handle it only under fume hood. |
| Biopsy puncher | Miltex GmBH, Germany | 33-31A-P/25 | 1.5 mm |
| Glass coverslip | Menzel-Glaser, Germany | BB024040SC | 24 mm × 40 mm, #5 |
| Plasma generator instrument | Diener | Zepto B | Frequency: 40 kHz and plasma generator power: 0-30 W |
| PTFE tubing | PKM SA, Switzerland | AWG-TFS-XXX | AWG 20TFS, roll of 100 m |
| neMESYS Syringe Pumps | Cetoni GmbH, Germany | Low Pressure (290N) | – |
| Disposable Cup | Semadeni, Switzerland | 8323 | PS, 200 ml |
| Plastic Spatula | Semadeni, Switzerland | 3340 | L × W : 135 mm x 14 mm |
| Disposable Scalpels | B. Braun, Switzerland | 233-5320 | Nr. 20 |
| Disposable Syringes | VWR, Switzerland | 613-3951 | 5 ml, Discardit II |
| Acetic Acid | Sigma-Aldrich, Switzerland | 695092-500 | >=99.7%, CAUTION: Handle it only under fume hood. |
| 1,3,5-benzenetricarbaldehyde | Aldrich-Fine Chemicals | 753491 | 97% |
| 1,3,5-Tris(4-aminophenyl)benzene | Tokyo Chemical Industry | T2728-5G | >93.0% |
References
- Cote, A. P., et al. Porous, crystalline, covalent organic frameworks. Science. 310, 1166-1170 (2005).
- Ding, S. Y., Wang, W. Covalent organic frameworks (COFs): from design to applications. Chem Soc Rev. 42, 548-568 (2013).
- Huang, N., Wang, P., Jiang, D. L. Covalent organic frameworks: a materials platform for structural and functional designs. Nat Rev Mater. 1, 16068 (2016).
- Xu, H., Gao, J., Stable Jiang, D. L. crystalline, porous, covalent organic frameworks as a platform for chiral organocatalysts. Nat Chem. 7, 905-912 (2015).
- Wan, S., Guo, J., Kim, J., Ihee, H., Jiang, D. L. A Belt-Shaped, Blue Luminescent, and Semiconducting Covalent Organic Framework. Angew Chem Int Edit. 47, 8826-8830 (2008).
- Rodriguez-San-Miguel, D., et al. Crystalline fibres of a covalent organic framework through bottom-up microfluidic synthesis. Chem Commun. 52, 9212-9215 (2016).
- Bisbey, R. P., DeBlase, C. R., Smith, B. J., Dichtel, W. R. Two-dimensional Covalent Organic Framework Thin Films Grown in Flow. J Am Chem Soc. 138, 11433-11436 (2016).
- Spitler, E. L., Dichtel, W. R. Lewis acid-catalysed formation of two-dimensional phthalocyanine covalent organic frameworks. Nat Chem. 2, 672-677 (2010).
- Keskin, S. Adsorption, Diffusion, and Separation of CH4/H-2 Mixtures in Covalent Organic Frameworks: Molecular Simulations and Theoretical Predictions. J Phys Chem C. 116, 1772-1779 (2012).
- Tilford, R. W., Mugavero, S. J., Pellechia, P. J., Lavigne, J. J. Tailoring microporosity in covalent organic frameworks. Adv Mater. 20, 2741-2746 (2008).
- Hasegawa, S., et al. Three-dimensional porous coordination polymer functionalized with amide groups based on tridentate ligand: Selective sorption and catalysis. J Am Chem Soc. 129, 2607-2614 (2007).
- Das, G., et al. Chemical sensing in two dimensional porous covalent organic nanosheets. Chem Sci. 6, 3931-3939 (2015).
- Guo, J., et al. Conjugated organic framework with three-dimensionally ordered stable structure and delocalized pi clouds. Nat Commun. 4, 2736 (2013).
- Furukawa, H., Yaghi, O. M. Storage of Hydrogen, Methane, and Carbon Dioxide in Highly Porous Covalent Organic Frameworks for Clean Energy Applications. J Am Chem Soc. 131, 8875-8883 (2009).
- Xu, F., et al. Electrochemically active, crystalline, mesoporous covalent organic frameworks on carbon nanotubes for synergistic lithium-ion battery energy storage. Sci Rep-Uk. 5, 8225 (2015).
- El-Kaderi, H. M., et al. Designed synthesis of 3D covalent organic frameworks. Science. 316, 268-272 (2007).
- Ruigomez, A. D., et al. Direct On-Surface Patterning of a Crystalline Laminar Covalent Organic Framework Synthesized at Room Temperature. Chem Eur J. 21, 10666-10670 (2015).
- Segura, J. L., Mancheno, M. J., Zamora, F. Covalent organic frameworks based on Schiff-base chemistry: synthesis, properties and potential applications. Chem Soc Rev. 45, 5635-5671 (2016).
- Abrishamkar, A., et al. Microfluidic Pneumatic Cages: A Novel Approach for In-chip Crystal Trapping, Manipulation and Controlled Chemical Treatment. J Vis Exp. (113), e54193 (2016).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid prototyping of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane). Anal Chem. 70, 4974-4984 (1998).
- Rubio-Martinez, M., et al. Freezing the Nonclassical Crystal Growth of a Coordination Polymer Using Controlled Dynamic Gradients. Adv Mater. 28, 8150-8155 (2016).
- Liu, H., et al. A Catalytic Chiral Gel Microfluidic Reactor Assembled via Dynamic Covalent Chemistry. Chem Sci. 6, 2292-2296 (2015).
- Puigmarti-Luis, J., et al. Stepwise Template Growth of Functional Nanowires from an Amino Acid-Supported Framework in a Microfluidic Chip. ACS Nano. 8 (1), 818-826 (2014).
