Herstellung von hydrophoben Metall-organische Gerüste über Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition von Perfluoralkanen für die Beseitigung von Ammoniak

Summary

Hierin die Verfahren für die plasmaunterstützte chemische Dampfabscheidung von Perfluoralkane auf mikroporöse Materialien, wie metallorganischen Gerüst ihrer Stabilität und Hydrophobie zu verbessern, beschrieben. Ferner ist Durchbruch Testen Milligramm-Mengen von Proben im Detail beschrieben.

Abstract

Plasma-verstärkte chemische Dampfabscheidung (PECVD) von Perfluoralkanen ist seit langem zum Abstimmen der Benetzungseigenschaften von Oberflächen untersucht. Für hohe Oberfläche mikroporösen Materialien, wie Metall-organische Gerüste (MOFs), präsentieren einzigartige Herausforderungen sich für PECVD-Behandlungen. Hier das Protokoll für die Entwicklung eines MOF, die zuvor instabilen feuchten Bedingungen wurde vorgestellt. Das Protokoll beschreibt die Synthese von Cu-BTC (auch als HKUST-1 bekannt), die Behandlung von Cu-BTC mit PECVD der Perfluoralkane, die Alterung der Materialien unter feuchten Bedingungen, und die folgenden Experimente an Ammoniak microbreakthrough Milligramm-Mengen von mikroporösen Materialien. Cu-BTC hat eine extrem hohe Oberfläche (~ 1.800 m ² / g) im Vergleich zu den meisten Materialien oder Oberflächen, die zuvor durch PECVD-Verfahren behandelt worden sind. Parameter wie Kammerdruck und die Behandlungszeit sind extrem wichtig, um sicherzustellen, das Perfluoralkan Plasma eindringt, um zu reagieren unds mit den inneren MOF-Oberflächen. Darüber hinaus kann das Protokoll für Ammoniak microbreakthrough Experimente hier angegebenen für eine Vielzahl von Testgasen und mikroporösen Materialien verwendet werden.

Introduction

Metall-organische Gerüste (MOFs) haben sich zu einem führenden Klasse poröser Materialien für toxische Gasentfernung ^1-3. MOFs haben eine beispiellose Fähigkeit, um die Funktionalität für die gezielte chemische Interaktion anzupassen. Cu-BTC (auch als HKUST-1 oder Cu ₃ (BTC) bekannt ₂₎ vorher gefunden wurde, um eine außergewöhnlich hohe Ammoniakbelastung haben, jedoch ist dies zu einem Preis von ⁴ Strukturstabilität des Materials. Weitere Studien über Cu-BTC haben gezeigt, dass Feuchtigkeit selbst ist in der Lage, eine Verschlechterung der MOF-Struktur, wodurch es wirkungslos für viele potentielle Anwendungen ^5,6,21. Die strukturelle Instabilität bestimmter Carboxylat MOFs in Anwesenheit von flüssigem Wasser oder hoher Luftfeuchtigkeit war eine große Abschreckung in gewerblichen oder industriellen Anwendungen ⁷ zu verwenden.

Es wäre ideal für die meisten MOFs für chemische Entfernung zur Eigenstabilität in Gegenwart von Feuchtigkeit haben. Doch viele MOFs mit überragender Stabilität, wie UiO-66, haben schlechte chemische Entfernung Fähigkeiten, während viele MOFs mit Metallzentren wie MOF-74 und Cu-BTC überlegene chemische Entfernung Fähigkeiten ^2,4,8,9. Die Metallzentren in MOF-74 und Cu-BTC verbessern die Aufnahme von giftigen Gasen wie Ammoniak, aber diese Stellen sind auch anfällig für Wasser zu binden, Vergiftung der aktiven Zentren und in vielen Fällen zu strukturellen Zusammenbruch führt. Um die chemischen Eigenschaften einer Wasser instabil MOF erhalten, verschiedene Versuche, die Wasserstabilität von MOFs erweitern vorgenommen wurden. MOF-5 ist gezeigt worden, um eine Verbesserung der Feuchtigkeitsbeständigkeit bei thermischer Behandlung, indem eine kohlenstoffhaltige Schicht auf der MOF, jedoch ist die erhöhte Hydrophobizität auf Kosten der Oberflächenbereich ¹⁰ und schließlich Funktionalität. MOF-5 hat sich auch gezeigt, haben ihre Hydrostabilität erhöht, durch Dotierung mit Ni ^{2 +-Ionen 11.} Weiterhin enthalten 1,4-Diazabicyclo [2.2.2] octaning MOFs (auch als DMOFs bekannt) wurden eingesetzt, um die Stimmung der Wasserstabilität durch Einbau von verschiedenen Anhängergruppen des 1,4-Benzol Dicarboxylatlinker ^12,13 zu zeigen.

Das Fehlen von Hydrostabilität bestimmter MOFs, speziell solche mit einem hohen toxischen Gasaufnahme, führte die Verwendung von plasmaverstärkter chemischer Dampfabscheidung (PECVD) von Perfluoralkane, fluorierte Gruppen erzeugen auf den Oberflächen der MOF seiner Hydrophobizität ¹⁴ zu erhöhen. Diese Technik bietet den einzigartigen Vorteil, dass sie verwendet werden kann, um jede MOF enthaltende aromatische Wasserstoffe, sowie andere potentielle funktionelle Gruppen auf den inneren Oberflächen der MOFs verändern. Jedoch kann die Technik schwierig sein, aufgrund der Bildung von hochreaktiven Radikalen im Plasma zu steuern. Die Radikale reagieren nicht nur mit der aromatischen Wasserstoffatome, sondern auch mit CF _x-Gruppen bereits auf dem MOF Flächen umgesetzt. Sorgfältige Kontrolle des Verfahrens erforderlich ist, um sicherzustellen, Poren bloket nicht auftritt, wodurch die MOF unwirksam. Diese Technik wurde von anderen verwendet worden, um die Benetzungseigenschaften von Kohlenstoffmaterialien zu ändern, aber nach unserer Kenntnis er niemals zuvor verwendet worden, um Hydrostabilität des mikroporösen Materials zu verbessern ^15,16..

Protocol

1. Cu-BTC Synthese und Herstellung Rühren 12,5 ml VE-Wasser und 12,5 ml Dimethylformamid in einem 100 ml Schraubdeckel-Glas für ca. 5 min. Hinzufügen 0,87 g (3,6 mmol) Kupfer (II) nitrat-Trihydrat, gefolgt von 0,50 g (2,4 mmol) Trimesinsäure zu der Lösung in dem Gefäß und Rühren für etwa 5 min. Die Lösung wird in der Farbe blau. Legen Sie das Glas verschlossen im vorgeheizten Backofen bei 120 ° C für ca. 24 Stunden. Entfernen Sie das Glas aus dem Ofen. Sobald die Dose auf Raumt…

Representative Results

In den repräsentativen Ergebnissen der Autoren wählten die Merkmale eines 0,50-g-Probe von Cu-BTC mit Hexafluorethan 4 h bei einem Druck von 0,30 mbar und einer Plasmaleistung von 50 W. MOFs mit behandelten (C 2 F 6) anzeigen Perfluoralkans Plasma unter adäquaten Bedingungen sollte verbessert Hydrophobie anzuzeigen. Dies kann durch Anordnen des Pulvers auf der Oberseite des flüssigen Wassers und Bestimmen, ob die Probe Schwimmern oder Messen des Wasserkontaktwinkels auf einem Pellet gepre…

Discussion

Die Synthese von Cu-BTC, wie in den meisten MOFs können stark von dem Verhältnis der Reaktanten und der Temperatur der Synthese wird bei geführt werden. Variieren der Temperatur oder Lösungsmittel in der Synthese verwendet wurde gezeigt, dass verschiedene Morphologien einer MOF-Struktur ²⁰ zu erzeugen. Starker Bedeutung ist daher, das Verfahren, die in der Literatur für alle, die synthetisiert MOF zu folgen. Außerdem sollte man die Reaktanten, Lösungsmittel und Synthesebedingungen bei der Auswahl eines…

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
Copper (II) Nitrate Trihydrate	Sigma-Aldrich	61194
Trimesic acid	Sigma-Aldrich	482749
Ethanol	Sigma-Aldrich	130147
Dimethyl Formamide	Sigma-Aldrich	319937
Dichloromethane	Sigma-Aldrich	187332
Hexafluoroethane	Synquest Labs	1100-2-05
Femto-Plasma System	Diener Electronic	Basic unit type B
Plasma Generator	Diener Electronic	Type D	0-100 W at 13.56 MHz
Rotary Vane Pump for Plasma System	Leybold	D16BCS PFPE	Appropriate for corrosive gases
Powder Treatment Device	Diener Electronic	Option 5.9	Glass bottle and rotating devise within plasma system
Environmental Chamber	Associated Environmental Systems	HD-205
Gas Chromatograph	Hewlet Packard	HP5890 Series II
Photoionization Detector	O-I Analytical	4430/5890
Photoionization Detector Lamp	Excilitis	FK-794U
Water bath	NESLAB	RTE-111
Fritted glass tubes	CDA Analytical	MX062101	Dynatherm sampling tubes