Microfluïde-gebaseerde synthese van covalente organische kaders (COF's): een gereedschap voor de continue productie van COF-vezels en directe druk op een oppervlak
Summary
Wij presenteren een nieuwe microfluïdische methode voor synthese van covalente organische kaders (COF's). We tonen aan hoe deze aanpak kan worden gebruikt om continue COF-vezels te produceren, en ook op 2D- of 3D-COF-structuren op oppervlakken.
Abstract
Covalente organische kaders (COF's) zijn een klasse van poreuze covalente materialen die vaak worden verwerkt als onbewerkbare kristallijne poeders. De eerste COF werd gerapporteerd in 2005 met veel inspanning gericht op de oprichting van nieuwe synthetische routes voor de voorbereiding ervan. Tot op heden zijn de meeste beschikbare synthetische methoden voor COF synthese gebaseerd op bulkmengsel onder solvothermische omstandigheden. Daarom is er steeds meer belangstelling voor het ontwikkelen van systematische protocollen voor COF-synthese die zorgt voor fijne controle over reactieomstandigheden en verbetering van de COF-verwerkbaarheid op oppervlakken, die essentieel zijn voor gebruik in praktische toepassingen. Hierin presenteren we een nieuwe microfluïdische methode voor COF synthese waarbij de reactie tussen twee bestanddelen bouwblokken, 1,3,5-benzeentricarbaldehyde (BTCA) en 1,3,5-tris (4-aminofenyl) benzeen (TAPB) Vindt plaats onder gecontroleerde diffusie omstandigheden en bij kamertemperatuur. Met behulp van een dergelijke aanpak geeft spons-achtig, crysDikke vezels van een COF materiaal, hierna genoemd MF-COF. De mechanische eigenschappen van MF-COF en de dynamische aard van de aanpak maken het mogelijk om continu MF-COF-vezels te produceren en hun directe druk op oppervlakken. De algemene methode opent nieuwe potentiële toepassingen waarbij geavanceerde afdrukken van 2D- of 3D-COF-structuren op flexibele of stijve oppervlakken vereist zijn.
Introduction
Covalente organische kaders (COF's) zijn een gevestigde klasse van poreus en kristallijn materiaal waarin de organische bouwstenen stevig vastgehouden worden door covalente bindingen 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . COF's worden typisch gemonteerd volgens supramoleculaire chemische principes, waarbij de constituerende moleculaire bouwstenen selectief worden gereageerd om een definitief en vooraf bepaald poreus samenstel te definiëren. Een dergelijke benadering laat de synthese van materialen toe met gecontroleerde en geordende structuur ( bijv . Met bepaalde poriedimensies) en samenstelling 3 , 6 , 7 , 8 . In vergelijking met andere poreuze materialen zijn COF's uniek omdat ze bestaan uit lichte elementen (C, H, B, N en O) en hebben afstelbare poro Punten 1 , 5 . Geïnspireerd door deze unieke en intrinsieke kenmerken zijn COF's beoordeeld voor potentiële toepassing in chemische scheidingen 9 , gasopslag 10 en katalyse 11 , sensoren 12 , opto-elektronica 13 , schone energietechnologieën 14 en elektrochemische energie-inrichtingen 15 .
Tot op heden zijn de overgrote meerderheid van de methoden die gebruikt worden voor de bereiding van COF-materialen gebaseerd op solvothermische zelfkondensatie en co-condensatie reacties, waarbij hoge temperaturen en druk de standaard zijn. Hoewel COF's thermisch robuust zijn, hebben ze vaak een beperkte verwerkbaarheid, dwz COF's zijn meestal onoplosbare en onbewerkbare kristallijne poeders en dit beperkt hun gebruik aanzienlijk in een scala aan potentiële en praktische toepassingenSs = "xref"> 2 , 6 , 8 , 16 , 17 . Ondanks de opmerkelijke vooruitgang die bij COF synthese is geboekt, is een belangrijke uitdaging op het gebied van het ontwikkelen van een methode waarmee de bereiding van COF's in passende reactieomstandigheden ( bijvoorbeeld temperatuur en druk) kan worden ontwikkeld, waardoor de verwerkbaarheid ervan op oppervlakken kan worden vergemakkelijkt.
Recentelijk hebben studies aangetoond dat Shiff-base chemie kan worden gebruikt om een imine-gebaseerde COF bij kamertemperatuur te synthetiseren. De COF produceerde, RT-COF-1, vormen als gevolg van de snelle en efficiënte reactie tussen 1,3,5-tris (4-aminofenyl) benzeen (TAPB) en 1,3,5-benzeentricarbaldehyde (BTCA) 17 1A ). De werkzaamheid van deze synthetische methode werd aangetoond door de directe druk van micron- en submicronpatronen van RT-COF-1 op zowel stijve als flexibele oppervlakken met lithografie ofInkjet printtechnieken. Meer recent, en gebruikmakend van microfluidica, hebben we een effectieve aanpak aangetoond voor de continue synthese van vezels van hetzelfde in iminen gebaseerde COF, hierna MF-COF 6 genoemd . In tegenstelling tot andere gerapporteerde synthetische benaderingen voor de opwekking van COF's 18 , maakte deze microfluïdische synthetische werkwijze de snelle synthese van MF-COF-vezels mogelijk bij omgevingstemperaturen en druk binnen enkele seconden. Bovendien, en door de mechanische stabiliteit van de gesynthetiseerde MF-COF-vezels, hebben we aangetoond hoe een dergelijke microfluïdische methode het directe afdrukken van 2D- en 3D-structuren op oppervlakken mogelijk maakt. Hieruit tonen wij aan dat deze methode kan worden gebruikt om COF structuren op verschillende oppervlakken te maken die verschillende chemische en fysische eigenschappen hebben. Wij zijn van mening dat deze nieuwe methode nieuwe wegen opent voor de goed gecontroleerde patronen en directe drukwerk van COF's in verschillende oriëntaties en op verschillende oppervlakken.
Protocol
Representative Results
Discussion
De hier beschreven microfluidische synthetische methode biedt een nieuwe en eenvoudige aanpak voor directe druk van COF-materialen op oppervlakken. Synthese wordt uitgevoerd onder gebruikmaking van een enkelvoudige microfluïdische inrichting, bestaande uit een microfluïdische PDMS-chip die gebonden is aan een glazen deklaag. De fabricage van het microfluïdische apparaat kan worden bereikt door middel van conventionele afgifte van PDMS tegen een siliciummestervorm en daarna binding van de PDMS met de geïmprimeerde mi…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen de Zwitserse National Science Foundation (SNF) voor financiële ondersteuning via projectnummer. 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% |
Riferimenti
- 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).
