Solvothermal synthese van MIL-96 en UiO-66-NH₂ op atomische laag gestort metaaloxide Coatings op Fiber matten

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/g_MOF^1,2te 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 processen^{1,3, 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-xyleen^8,9. 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-66^11,12.

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 methode^{13,14 , 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 MOF^18,19.

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 ruwheid^18,20te 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 methoden^{13,17, 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.