Solvothermal synthese van MIL-96 en UiO-66-NH2 op atomische laag gestort metaaloxide Coatings op Fiber matten
Summary
Metaal-organische kaders zijn effectief in de opslag van gas en heterogene katalyse, maar typisch synthese methoden leiden tot losse poeders die moeilijk te integreren in slimme materialen. We tonen een methode van eerste coating stoffen met ALD metaaloxiden, resulterend in hoekgetrouwe films van MOF op de stoffen gedurende de synthese van solvothermal.
Abstract
Metaal-organische kaders (MOFs), die bevatten reactieve metalen clusters en organische liganden, waardoor grote porosities en oppervlakten, hebben bewezen effectief in gas adsorptie, scheidingen en katalyse. MOFs worden meestal als bulk poeder, vereisen extra processen te houden hen aan functionele apparaten en stoffen dat risico verminderen de poeder porositeit en adsorptie capaciteit gesynthetiseerd. Hier tonen we een methode van eerste coating stoffen met metaaloxide films met behulp van atomische laag depositie (ALD). Dit proces creëert hoekgetrouwe films van beheersbare dikte op elke vezel, terwijl het verstrekken van een meer reactieve oppervlak voor MOF nucleatie. Door dompelen de ALD gecoate stof in oplossing tijdens solvothermal MOF synthese, maken de MOFs een hoekgetrouwe goed zelfklevend coating op de vezels, wat resulteert in een MOF-matiemaatschappij weefsel, zonder extra hechting materialen die poriën van MOF blokkeren kan en functionele websites. We laten hier zien twee solvothermal synthesemethoden. Ten eerste vormen we een MIL-96(Al) laag op polypropyleen vezels, synthetische voorwaarden die de metaaloxide naar MOF converteren gebruiken. Met behulp van oorspronkelijke anorganische films van verschillende diktes, verspreiding van de organische linker in de anorganische stelt ons in staat om te bepalen van de omvang van de MOF laden op de stof. Ten tweede voeren we een solvothermal synthese van UiO-66-NH2 waarin de MOF nucleëert op de hoekgetrouwe metaaloxide coating op een polyamide-6 (PA-6) vezels, waardoor het produceren van een uniforme en hoekgetrouwe dunne film van MOF op de stof. De resulterende materialen kunnen direct worden opgenomen in filter apparaten of beschermende kleding en elimineren de onhandig kwaliteiten van losse poeder.
Introduction
Metaal-organische kaders zijn kristallijnen structuren bestaande uit reactieve metalen cluster centra overbrugd door organisch molecuul linkers kunnen grote porosities en oppervlakten. Hun structuur, porositeit en functionaliteit kunnen worden ontworpen door passende clusters en linkers, wat leidt tot oppervlakten maar liefst 7000 m2/gMOF1,2te kiezen. Hun hoge porositeit en oppervlakte hebben geboekt MOFs divers toepasselijke adsorptie, scheiding en heterogene katalyse op gebieden variërend van energieproductie tot milieuoverwegingen aan biologische processen1,3, 4,5,6.
Vele MOFs hebben bewezen succesvol in het selectief adsorberend vluchtige organische stoffen en broeikasgassen of te degraderen catalytically chemicaliën die schadelijk zijn voor de menselijke gezondheid of het milieu kunnen blijken. In het bijzonder, MIL-96 (Al) gebleken selectief adsorberen stikstofhoudende vluchtige organische stoffen (VOS) als gevolg van de beschikbaarheid van vrij elektronenpaar elektronen in de groepen van de stikstof te coördineren met het zwakke zuur Lewis-Al aanwezig in de metalen clusters7. MIL-96 heeft ook aangetoond dat het adsorberen van gassen zoals CO2, p-xyleen, en m-xyleen8,9. MOF adsorptie selectiviteit is afhankelijk van zowel de Lewiszuur voor de metalen cluster, evenals de poriegrootte. De poriegrootte van MIL-96 toeneemt met de temperatuur, wat resulteert in verhoogde adsorptie capaciteit van trimethylbenzene met verhoogde temperatuur, en biedt de mogelijkheid van tuning selectiviteit met adsorptie temperatuur9.
De tweede MOF van focus hier, UiO-66-NH2 heeft aangetoond dat degraderen catalytically chemische oorlogvoering agenten (CWA’s) en bij gebruik van simulanten. De amine-groep op de linker biedt een synergie-effect in de vernederende zenuw agenten, terwijl het voorkomen van agent afbraakproducten van onherroepelijk te binden aan de zirkonium clusters en vergiftiging van de MOF-10. UiO-66-NH2 heeft catalytically gehydrolyseerd dimethyl- p– nitrophenylphosphate (DMNP) met een halfwaardetijd 0.7 minuten in gebufferde omstandigheden, zo kort bijna 20 keer sneller dan haar basis MOF UiO-6611,12.
Terwijl deze adsorptie- en katalytische eigenschappen veelbelovend zijn, kan de fysische vorm van de MOFs, voornamelijk bulk poeder, moeilijk zijn te integreren in platformen voor het afvangen en filtratie zonder significante bulk toevoegen, verstopping poriën of vermindering van de MOF flexibiliteit. Een alternatief is het creëren van MOF matiemaatschappij stoffen. MOFs zijn opgenomen in stoffen op talloze manieren, met inbegrip van electrospinning MOF poeder/polymeer slurries, zelfklevende mixen, spray coating, solvothermal groei, magnetron syntheses, en een groei van de laag-voor-laag methode13,14 , 15 , 16 , 17 , 18. hiervan, electrospinning en polymeer-lijmen kunnen leiden tot geblokkeerde functionele sites op de MOF zoals ze zijn ingekapseld in het polymeer, adsorptie capaciteit en reactiviteit aanzienlijk te verlagen. Bovendien, veel van deze technieken niet hoekgetrouwe coatings op de vezels als gevolg van de lijn van het zicht problemen of slechte hechting/nucleatie en de afhankelijkheid van louter Elektrostatische interacties maken. Een alternatieve methode is het eerste vacht het weefsel met een metaaloxide te zorgen voor sterkere oppervlakte interacties met de MOF18,19.
Een methode van metaaloxide afzetting is atomische laag depositie (ALD). ALD is een techniek om hoekgetrouwe dunne lagen, controleerbaar op de atoomschaal te storten. Het proces maakt gebruik van twee halve reacties die alleen aan het oppervlak van het substraat optreden te worden bekleed. De eerste stap is om de dosis van een metaal met de voorloper, die met hydroxyls op het oppervlak reageert, een oppervlak metallated verlaten terwijl overtollige reactieve wordt verwijderd uit het systeem. De tweede reactieve is een reactieve zuurstof-bevattende, meestal water, die reageert met de metalen sites om te vormen van een metaaloxide. Nogmaals, overtollige water en geen reactieproducten zijn verwijderd uit het systeem. Deze wisselende doses en zuiveringen kunnen worden herhaald totdat de gewenste laagdikte is bereikt (Figuur 1). Atomische laag depositie is vooral handig omdat de kleinschalige damp fase precursoren toestaan voor hoekgetrouwe films op elk oppervlak van substraten met complexe topologie, zoals fiber matten. Bovendien, voor polymeren zoals polypropyleen kunnen de ALD voorwaarden de coating te verspreiden in het oppervlak van de vezel, het verstrekken van een sterk anker voor toekomstige groei van de MOF20.
De metaaloxide coating zorgt voor verhoogde nucleatie sites op de vezels tijdens de traditionele solvothermal synthese door functionele groepen en ruwheid18,20te verhogen. Onze fractie heeft eerder getoond de ALD metaaloxide basis laag is effectief voor UiO-6 X, HKUST-1 en andere syntheses via verschillende routes van solvothermal, laag-voor-laag en hydroxy-double zout conversie methoden13,17, 18,21,22,23. We laten hier zien twee synthese typen. De MIL-materialen worden gevormd door het omzetten van de Al2O3 ALD coating rechtstreeks naar MOF door diffusie van de organische linker. Door dompelen een Al2O3 ALD gecoate vezel mat in trimesic zuuroplossing en Verwarming, diffundeert de organische linker naar de metaaloxide coating formulier MIL-96. Dit resulteert in een sterk zelfklevend, hoekgetrouwe MOF coating op het oppervlak van iedere vezel. De tweede synthese benadering vraagt om typische UiO-66-NH2 hydrothermale synthese met behulp van metalen en organische precursoren, maar voegt een metaaloxide gecoate vezel mat waarop de MOF nucleëert. Voor beide benaderingen van synthese, de resulterende producten bestaan hoekgetrouwe dunne films van MOF kristallen die sterk wordt vastgehouden aan de ondersteunende structuur. In het geval van MIL-96, kunnen deze worden opgenomen in de filters voor adsorptie van vluchtige organische stoffen of gassen met een broeikaseffect. Voor UiO-66-NH2 kunnen deze stoffen worden gemakkelijk opgenomen in lichtgewicht beschermende kleding voor militairen, eerste responders en burgers voor continue verdediging tegen aanvallen van de CWA.
Protocol
Representative Results
Discussion
De ALD coating een sterke invloed op de hechting en laden van de MOF. Eerst, afhankelijk van het soort substraat en ALD voorloper, de ALD laag vormen een aparte buitenste schil rond de vezel, of kan verspreiden in de vezel tot het maken van een geleidelijke overgang naar de metaaloxide coating20. De harde shell geconstateerd is van katoen en nylon substraten, terwijl diffusive lagen kunnen worden waargenomen in polypropyleen onder goede omstandigheden. Ten tweede kan de verspreiding in de vezel oo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs danken hun medewerkers van RTI internationale, ons leger Natick Soldier RD & E Center, Edgewood chemische en biologische Center. Ook dank zij hun financieringsbron, het Defense Agency voor de vermindering van de dreiging.
Materials
| trimethylaluminum | Strem Chemicals | 93-1360 | |
| home-built ALD reactor | N/A | ||
| nitrogen cylinder | Arc3 | UN1066 | |
| trimesic acid | Sigma-Aldrich | 482749-500G | |
| ethanol | Koptec | V1001 | |
| teflon lined autoclave | PARR Instrument Company | 4760-1211 | |
| isotemp furnace | Fisher Scientific | F47925 | |
| Zirconium (IV) chloride | Alfa Aesar | 12104 | |
| 2-aminoterephthalic acid | Acros Organics | 278031000 | |
| N,N-dimethylformamide | Fisher Scientific | D119-4 | |
| Hydrochloric Acid | Fisher Scientific | A481-212 | |
| Polypropylene fiber mats | N/A | ||
| Polyamide fiber mats | N/A |
References
- Furukawa, H., Cordova, K. E., O’Keeffe, M., Yaghi, O. M. The Chemistry and Applications of Metal-Organic Frameworks. Science (Washington, DC, U. S.). 341 (6149), 974 (2013).
- Farha, O. K., et al. Metal-Organic Framework Materials with Ultrahigh Surface Areas: Is the Sky the Limit?. Journal of the American Chemical Society. 134 (36), 15016-15021 (2012).
- Bobbitt, N. S., et al. Metal-organic frameworks for the removal of toxic industrial chemicals and chemical warfare agents. Chemical Society Reviews. 46 (11), 3357-3385 (2017).
- Prawiec, P., et al. Improved Hydrogen Storage in the Metal-Organic Framework Cu3(BTC)2. Advanced Engineering Materials. 8 (4), 293-296 (2006).
- Moon, S. -. Y., et al. Effective, Facile, and Selective Hydrolysis of the Chemical Warfare Agent VX Using Zr6-Based Metal-Organic Frameworks. Inorganic Chemistry. 54 (22), 10829-10833 (2015).
- Zhou, H., Kitagawa, S. Metal-Organic Frameworks (MOFs). Chemical Society Reviews. 43 (16), 5415-5418 (2014).
- Qiu, M., Chen, C., Li, W. Rapid controllable synthesis of Al-MIL-96 and its adsorption of nitrogenous VOCs. Catalysis Today. 258, 132-138 (2015).
- Abid, H. R., Rada, Z. H., Shang, J., Wang, S. Synthesis, characterization, and CO2 adsorption of three metal-organic frameworks (MOFs): MIL-53, MIL-96, and amino-MIL-53. Polyhedron. 120, 103-111 (2016).
- Lee, J. S., Jhung, S. H. Vapor-phase adsorption of alkylaromatics on aluminum-trimesate MIL-96: An unusual increase of adsorption capacity with temperature. Microporous Mesoporous Materials. 129 (1-2), 274-277 (2010).
- Gil-San-Millan, R., et al. Chemical Warfare Agents Detoxification Properties of Zirconium Metal-Organic Frameworks by Synergistic Incorporation of Nucleophilic and Basic Sites. ACS Appl. Material Interfaces. 9 (28), 23967-23973 (2017).
- Peterson, G. W., et al. Tailoring the Pore Size and Functionality of UiO-Type Metal-Organic Frameworks for Optimal Nerve Agent Destruction. Inorganic Chemistry. 54 (20), 9684-9686 (2015).
- Katz, M. J., et al. Exploiting parameter space in MOFs: a 20-fold enhancement of phosphate-ester hydrolysis with UiO-66-NH2. Chemical Science. 6 (4), 2286-2291 (2015).
- Zhao, J., et al. Highly Adsorptive, MOF-Functionalized Nonwoven Fiber Mats for Hazardous Gas Capture Enabled by Atomic Layer Deposition. Advanced Materials Interface. 1 (4), 1400040 (2014).
- Peterson, G. W., Lu, A. X., Epps, T. H. Tuning the Morphology and Activity of Electrospun Polystyrene/ UiO-66-NH2 Metal-Organic Framework Composites to Enhance Chemical Warfare Agent Removal. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (37), 32248-32254 (2017).
- Lee, D. T., Zhao, J., Peterson, G. W., Parsons, G. N. Catalytic ‘ MOF-Cloth ‘ Formed via Directed Supramolecular Assembly of UiO-66-NH 2 Crystals on Atomic Layer Deposition- Coated Textiles for Rapid Degradation of Chemical Warfare Agent Simulants. Chemistry of Materials. 29 (11), 4894-4903 (2017).
- López-maya, E., et al. Textile / Metal – Organic-Framework Composites as Self-Detoxifying Filters for Chemical-Warfare Agents. Angewandte Chemie International Edition. 54 (23), 6790-6794 (2015).
- Zhao, J., et al. Conformal and highly adsorptive metal-organic framework thin films via layer-by-layer growth on ALD-coated fiber mats. Journal of Materials Chemistry. A. 3 (4), 1458-1464 (2015).
- Lemaire, P. C., et al. Copper Benzenetricarboxylate Metal-Organic Framework Nucleation Mechanisms on Metal Oxide Powders and Thin Films formed by Atomic Layer Deposition. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (14), 9514-9522 (2016).
- Zacher, D., Baunemann, A., Hermes, S., Fischer, R. A. Deposition of microcrystalline [Cu3(btc)2] and [Zn2(bdc)2(dabco)] at alumina and silica surfaces modified with patterned self assembled organic monolayers: evidence of surface selective and oriented growth. Journal of Materials Chemistry. 17 (27), 2785-2792 (2007).
- Parsons, G. N., et al. Mechanisms and reactions during atomic layer deposition on polymers. Coordination Chemisty Reviews. 257 (23-24), 3323-3331 (2013).
- Zhao, J., et al. Facile Conversion of Hydroxy Double Salts to Metal-Organic Frameworks Using Metal Oxide Particles and Atomic Layer Deposition Thin-Film Templates. Journal of the American Chemical Soceity. 137 (43), 13756-13759 (2015).
- Zhao, J., et al. Ultra-Fast Degradation of Chemical Warfare Agents Using MOF – Nanofiber Kebabs. Angewandte Chemie International Edition. 55 (42), 13224-13228 (2016).
- Lee, D., Zhao, J., Oldham, C., Peterson, G., Parsons, G. UiO-66-NH2 Metal–Organic Framework (MOF) Nucleation on TiO2, ZnO, and Al2O3 Atomic Layer Deposition-Treated Polymer Fibers: Role of Metal Oxide on MOF Growth and Catalytic Hydrolysis of Chemical Warfare Agent Simulants. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (51), 44847-44855 (2017).
- Spagnola, J. C., et al. Surface and sub-surface reactions during low temperature aluminium oxide atomic layer deposition on fiber-forming polymers. Journal of Materials Chemistry. 20 (20), 4213-4222 (2010).
- Nalwa, H. S. . Handbook of low and high dielectric constant materials and their applications. , (1999).
- Mcclure, C. D., Oldham, C., Walls, H., Parsons, G. Large effect of titanium precursor on surface reactivity and mechanical strength of electrospun nanofibers coated with TiO2 by atomic layer deposition. Journal of Vacuum Science and Technology A. 31 (6), 61506 (2013).
- Johnson, R. W., Hultqvist, A., Bent, S. F. A brief review of atomic layer deposition: from fundamentals to applications. Materials Today. 17 (5), 236-246 (2014).
- Stassen, I., Vos, D. D. e., Ameloot, R. Vapor-Phase Deposition and Modification of Metal – Organic Frameworks State-of-the-Art and Future Directions. Chemistry: A European Journal. 22 (41), 14452-14460 (2016).
