Mikrofluidbaseret syntese af kovalente organiske rammer (COF'er): Et værktøj til kontinuerlig produktion af COF-fibre og direkte tryk på en overflade
Summary
Vi præsenterer en ny mikrofluidisk metode til syntese af kovalente organiske rammer (COF'er). Vi demonstrerer, hvordan denne tilgang kan bruges til at fremstille kontinuerlige COF-fibre, og også 2D- eller 3D-COF-strukturer på overflader.
Abstract
Kovalente organiske rammer (COF'er) er en klasse af porøse kovalente materialer, som ofte syntetiseres som ubearbejdelige krystallinske pulvere. Den første COF blev rapporteret i 2005 med stor indsats centreret om etablering af nye syntetiske ruter til forberedelsen. Til dato er de fleste tilgængelige syntetiske metoder til COF-syntese baseret på bulkblanding under solvotermiske betingelser. Derfor er der stigende interesse i at udvikle systematiske protokoller til COF-syntese, der sikrer fin kontrol over reaktionsbetingelserne og forbedrer COF-bearbejdningsegenskaberne på overflader, hvilket er afgørende for deres anvendelse i praktiske anvendelser. Her præsenterer vi en ny mikrofluidbaseret metode til COF-syntese, hvor reaktionen mellem to bestanddeler, 1,3,5-benzentricarbaldehyd (BTCA) og 1,3,5-tris (4-aminophenyl) benzen (TAPB) Foregår under kontrollerede diffusionsbetingelser og ved stuetemperatur. Brug af en sådan fremgangsmåde giver svamp-lignende, krydsTalline fibre af et COF materiale, herefter kaldet MF-COF. MF-COF's mekaniske egenskaber og den dynamiske karakter af tilgangen muliggør kontinuerlig produktion af MF-COF-fibre og deres direkte udskrivning på overflader. Den generelle metode åbner nye potentielle applikationer, der kræver avanceret udskrivning af 2D eller 3D COF strukturer på fleksible eller stive overflader.
Introduction
Kovalente organiske rammer (COF'er) er en veletableret klasse af porøst og krystallinsk materiale, hvori de organiske byggesten blokeres fast af kovalente bindinger 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . COF'er samles typisk efter supramolekylære kemiprincipper, hvor de molekylære byggeblokke er selektivt omsat for at definere en endelig og forudbestemt porøs enhed. En sådan fremgangsmåde tillader syntese af materialer med kontrolleret og bestilt struktur ( fx med definerede poremått) og sammensætning 3 , 6 , 7 , 8 . Sammenlignet med andre porøse materialer er COF'er unikke, da de består af lette elementer (C, H, B, N og O) og har indstillelige poro Sitet 1 , 5 . Inspireret af disse unikke og egentlige egenskaber er COF'er blevet vurderet for potentiel anvendelse i kemiske separationer 9 , gaslager 10 og katalyse 11 , sensorer 12 , optoelektronik 13 , rene energiteknologier 14 og elektrokemiske energiindretninger 15 .
Hidtil er langt størstedelen af metoderne til fremstilling af COF-materialer baseret på solvotermiske selvkondensation og kondensationsreaktioner, hvor høje temperaturer og tryk er standarden. Selv om COF'er er termisk robuste, lider de normalt af begrænset bearbejdelighed, dvs. COF er normalt uopløselige og ubehandlede krystallinske pulvere, og dette begrænser deres brug betydeligt i en række potentielle og praktiske anvendelserSs = "xref"> 2 , 6 , 8 , 16 , 17 . På trods af de bemærkelsesværdige fremskridt, der er gjort i COF-syntese, er en stor udfordring på området at udvikle en metode, der gør det muligt at fremstille COF'er i passende reaktionsbetingelser ( f.eks . Temperatur og tryk), som derefter kan lette deres behandlingsmuligheder på overflader.
Undersøgelser har for nylig vist, at Shiff-base kemi kan bruges til at syntetisere en imin-baseret COF ved stuetemperatur. COF'en fremstillede, navngivet RT-COF-1, former på grund af den hurtige og effektive reaktion mellem 1,3,5-tris (4-aminophenyl) benzen (TAPB) og 1,3,5-benzentricarbaldehyd (BTCA) 17 1A ). Effekten af denne syntetiske metode blev påvist ved direkte tryk på mikron- og submikronmønstre af RT-COF-1 på både stive og fleksible overflader ved anvendelse af litografi ellerInkjet print teknikker. For nylig har vi demonstreret en effektiv tilgang til kontinuerlig syntese af fibre af den samme imin-baserede COF, herefter kaldet MF-COF 6 , og anvendt mikrofluidika. I modsætning til andre rapporterede syntetiske fremgangsmåder til dannelsen af COF'er 18 muliggjorde denne mikrofluidiske syntetiske fremgangsmåde den hurtige syntese af MF-COF-fibre ved omgivelsestemperaturer og tryk inden for få sekunder. Desuden har vi på grund af den mekaniske stabilitet af de syntetiserede MF-COF-fibre vist, hvordan en sådan mikrofluidisk metode kan muliggøre direkte udskrivning af 2D- og 3D-strukturer på overflader. Her demonstrerer vi, at denne metode kan bruges til at tegne COF-strukturer på forskellige overflader med forskellige kemiske og fysiske egenskaber. Vi mener, at denne nye metode åbner nye veje til det velkontrollerede mønster og direkte udskrivning af COF'er i forskellige retninger og på forskellige overflader.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den heri beskrevne mikrofluidbaserede syntetiske metode tilvejebringer en ny og enkel tilgang til direkte udskrivning af COF-materialer på overflader. Syntese udføres under anvendelse af en enkeltlags mikrofluidisk indretning, der består af en mikrofluidisk PDMS-chip bundet til en glasdæksel. Fremstillingen af den mikrofluidiske indretning kan opnås ved konventionel støbning af PDMS imod en siliciummasterskimmel og efterfølgende binding af PDMS'en med de imprintede mikrokanaler mod et glasdæksel.
<…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne anerkender det schweiziske National Science Foundation (SNF) for økonomisk støtte gennem projekt nr. 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).
