توليف الأطر المعدنية العضوية أحادية البلورية
Summary
هنا ، نوضح بروتوكولا للتوليف المكون من خطوتين للأغلفة الأساسية أحادية البلورية باستخدام زوج إطار معدني عضوي غير متساوي البنية (MOF) ، HKUST-1 و MOF-5 ، والتي تحتوي على شبكات بلورية متطابقة جيدا.
Abstract
نظرا لقابليتها للتصميم وآثارها التآزرية غير المسبوقة ، فقد تم فحص الأطر المعدنية العضوية (MOFs) بنشاط مؤخرا. ومع ذلك، فإن تخليق الأطر الفلزية ذات القشرة البلورية الواحدة يمثل تحديا كبيرا، وبالتالي تم الإبلاغ عن عدد محدود من الأمثلة. هنا ، نقترح طريقة لتوليف الأصداف الأساسية HKUST-1@MOF-5 أحادية البلورية ، وهي HKUST-1 في مركز MOF-5. من خلال الخوارزمية الحسابية ، كان من المتوقع أن يحتوي هذا الزوج من الأطر الفلزية العضوية على معلمات شبكية متطابقة ونقاط اتصال كيميائية في الواجهة. لبناء هيكل القشرة الأساسية ، قمنا بإعداد بلورات HKUST-1 ثماني السطوح والمكعبات الشكل كنوع أساسي من MOF ، حيث تم الكشف عن الجوانب (111) و (001) بشكل أساسي ، على التوالي. من خلال التفاعل المتسلسل ، نمت قشرة MOF-5 جيدا على السطح المكشوف ، مما يدل على واجهة اتصال سلسة ، مما أدى إلى التوليف الناجح ل HKUST-1@MOF-5 أحادي البلورية. تم إثبات تكوين طورها النقي من خلال الصور المجهرية الضوئية وأنماط حيود الأشعة السينية المسحوقة (PXRD). تقدم هذه الطريقة إمكانات ورؤى حول تخليق القشرة الأساسية أحادية البلورة مع أنواع مختلفة من الأطر الفلزية العضوية.
Introduction
MOF-on-MOF هو نوع من المواد الهجينة التي تتكون من إطارين أو أكثر من الإطارات المعدنية العضوية المختلفة (MOFs) 1،2،3. نظرا للتوليفات المختلفة الممكنة للمكونات والهياكل ، توفر MOF-on-MOFs مركبات جديدة متنوعة ذات خصائص رائعة ، والتي لم تتحقق في الأطر الفلزية العضوية الفردية ، مما يوفر إمكانات كبيرة في العديد من التطبيقات4،5،6. من بين الأنواع المختلفة من الأطر الفلزية العضوية على الأطر الفلزية العضوية ، يتمتع هيكل الغلاف الأساسي الذي يحيط فيه أحد الأطر الفلزية العضوية بآخر بميزة تحسين خصائص كل من الأطر الفلزية العضوية من خلال تصميم نظام أكثر تفصيلا5،6،7،8،9،10. على الرغم من الإبلاغ عن العديد من الأمثلة على الأطر الفلزية العضوية ذات القشرة الأساسية ، إلا أن الأطر العضوية ذات القشرة البلورية الواحدة غير شائعة وقد تم تصنيعها بنجاح في الغالب من أزواج متساوية البنية11،12،13. وعلاوة على ذلك، نادرا ما أبلغ عن أطر عضوية عضوية أحادية اللب ذات غلاف بلوري تم إنشاؤها باستخدام أزواج من الفلزية العضوية غير المتماثلة الهيكل، وذلك بسبب صعوبة اختيار زوج يظهر شبكة بلوريةمتطابقة جيدا 3. لتحقيق واجهات سلسة للأطر الفلزية العضوية أحادية البلورة ، تعد الشبكة البلورية المتطابقة جيدا ونقاط الاتصال الكيميائية بين الأطر الفلزية العضوية أمرا بالغ الأهمية. هنا ، يتم تعريف نقطة الاتصال الكيميائي على أنها الموقع المكاني حيث تلتقي العقدة الرابط / المعدنية ل MOF واحد بالعقدة المعدنية / الرابط للإطار المعدني للإطار المعدني الثاني من خلال رابطة تنسيق. في تقاريرنا السابقة14 ، تم استخدام الخوارزمية الحسابية لفحص الأهداف المثلى للتوليف ، وتم تصنيع ستة أزواج MOF مقترحة بنجاح.
توضح هذه الورقة بروتوكولا لتجميع هيكل عضوي أحادي البلورة لزوج HKUST-1 و MOF-5 ، وهي أطر عضوية عضوية مبدعة تتكون من مكونات وطوبولوجيا مختلفة تماما. تم اختيار HKUST-1 كنواة لأنه أكثر استقرارا من MOF-5 في ظل ظروف التفاعل الحراري15,16. علاوة على ذلك ، نظرا لأن نقاط الاتصال الكيميائي بين MOF-5 و HKUST-1 متطابقة جيدا في كل من المستويين (001) و (111) ، تم استخدام بلورات HKUST-1 المكعبة وثماني السطوح التي يتعرض فيها كل مستوى كنواة MOF. يقترح هذا البروتوكول إمكانية توليف أطر عضوية أكثر تنوعا ذات غلاف أساسي مع مطابقة الشبكة.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذا البروتوكول ، تم تصنيع بلورات HKUST-1 على شكل مكعب وثماني السطوح ، في إشارة إلى الطريقة14 المبلغ عنها سابقا. لتوليف HKUST-1 ، تمت إضافة محلول H 3 BTC أثناء تسخين وتحريك محلول Cu (NO 3) 2 · 2.5H2O لمنع ترسيب H3 BTC مع انخفاض درجة الحرارة. بعد ذلك ، تمت إضافة حمض الخ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وحظي هذا العمل بدعم من منحة المؤسسة الوطنية للبحوث في كوريا (NRF) التي تمولها وزارة العلوم وبرنامج المقارنات الدولية (No. NRF-2020R1A2C3008908 و 2016R1A5A1009405).
Materials
| Acetic acid | DAEJUNG | 1002-4400 | Synthesis of HKUST-1 (protocol steps 1.4, and 2.4) |
| Copper(II) nitrate hemipentahydrate | Sigma Aldrich | 223395-100G | Synthesis of HKUST-1 (protocol steps 1.1, and 2.1) |
| D2 PHASER | Bruker AXS | DOC-B88-EXS017-V3 | Powder X-ray diffraction |
| Digital stirring hot plate | Thermo Scientific | SP131320-33Q | Hotplate for heating and stirring (protocol steps 1.2, and 2.2) |
| Direct-Q3UV water purification system | MILLIPORE | ZRQSVP030 | Deionized water (protocol steps 1.1, and 2.1) |
| Ethyl alcohol anhydrous, 99.9% | DAEJUNG | 4023-4100 | Synthesis of HKUST-1 (protocol steps 1.2, and 2.2) |
| Forced convection oven (OF-02P/PW) | JEIO TECH | EDA8136 | Oven for heating reaction (protocol steps 1.5, 2.5, and 3.4) |
| N,N-diethylformamide | TCI | D0506 | Synthesis of HKUST-1@MOF-5 (protocol step 3.1) |
| N,N'-Dimethylformamide | DAEJUNG | 6057-4400 | Synthesis of HKUST-1 (protocol steps 1.1, and 2.1) |
| Stereo microscopes | Nikon | SMZ745T | Optical Microscope |
| Terephthalic acid | Sigma Aldrich | 185361-500G | Synthesis of HKUST-1@MOF-5 (protocol step 3.1) |
| Trimesic acid | Sigma Aldrich | 482749-100G | Synthesis of HKUST-1 (protocol steps 1.2, and 2.2) |
| Ultrasonic cleaner | BRANSONIC | CPX-952-338R | Sonicator with bath for dissolving solution (protocol step 3.1) |
| Zinc nitrate hexahydrate | Sigma Aldrich | 228737-100G | Synthesis of HKUST-1@MOF-5 (protocol step 3.1) |
References
- Liu, C., Wang, J., Wan, J., Yu, C. MOF-on-MOF hybrids: Synthesis and applications. Coordination Chemistry Reviews. 432, 213743 (2021).
- Hong, D. H., Shim, H. S., Ha, J., Moon, H. R. MOF-on-MOF architectures: Applications in separation, catalysis, and sensing. Bulletin of the Korean Chemical Society. 42 (7), 956-969 (2021).
- Ha, J., Moon, H. R. Synthesis of MOF-on-MOF architectures in the context of interfacial lattice matching. CrystEngComm. 23 (12), 2337-2354 (2021).
- Lee, S., Oh, S., Oh, M. Atypical hybrid metal-organic frameworks (MOFs): A combinative process for MOF-on-MOF growth, etching, and structure transformation. Angewandte Chemie International Edition. 59 (3), 1327-1333 (2020).
- Li, T., Sullivan, J. E., Rosi, N. L. Design and preparation of a core-shell metal-organic framework for selective CO2 capture. Journal of the American Chemical Society. 135 (27), 9984-9987 (2013).
- Cho, S., et al. Interface-sensitized chemiresistor: Integrated conductive and porous metal-organic frameworks. Chemical Engineering Journal. 449, 137780 (2022).
- Faustini, M., et al. Microfluidic approach toward continuous and ultrafast synthesis of metal-organic framework crystals and hetero structures in confined microdroplets. Journal of the American Chemical Society. 135 (39), 14619-14626 (2013).
- Boone, P., et al. Designing optimal core-shell MOFs for direct air capture. Nanoscale. 14 (43), 16085-16096 (2022).
- Yang, X., et al. One-step synthesis of hybrid core-shell metal-organic frameworks. Angewandte Chemie Edition. 57 (15), 3927-3932 (2018).
- Kim, S., Lee, J., Jeoung, S., Moon, H. R., Kim, M. Surface-deactivated core-shell metal-organic framework by simple ligand exchange for enhanced size discrimination in aerobic oxidation of alcohols. Chemistry. 26 (34), 7568-7572 (2020).
- Koh, K., Wong-Foy, A. G., Matzger, A. J. MOF@MOF: microporous core-shell architectures. Chemical Communications. (41), 6162-6164 (2009).
- Luo, T. -. Y., et al. Multivariate stratified metal-organic frameworks: diversification using domain building blocks. Journal of the American Chemical Society. 141 (5), 2161-2168 (2019).
- Tang, J., et al. Thermal conversion of core-shell metal-organic frameworks: a new method for selectively functionalized nanoporous hybrid carbon. Journal of the American Chemical Society. 137 (4), 1572-1580 (2015).
- Kwon, O., et al. Computer-aided discovery of connected metal-organic frameworks. Nature Communications. 10 (1), 3620 (2019).
- Yuan, S., et al. Stable metal-organic frameworks: Design, synthesis, and applications. Advanced Materials. 30 (37), 1704303 (2018).
- Feng, L., et al. Uncovering two principles of multivariate hierarchical metal-organic framework synthesis via retrosynthetic design. ACS Central Science. 4 (12), 1719-1726 (2018).
- Furukawa, S., et al. Heterogeneously hybridized porous coordination polymer crystals: fabrication of heterometallic core-shell single crystals with an in-plane rotational epitaxial relationship. Angewandte Chemie International Edition. 48 (10), 1766-1770 (2009).
- Guo, C., et al. Synthesis of core-shell ZIF-67@Co-MOF-74 catalyst with controllable shell thickness and enhanced photocatalytic activity for visible light-driven water oxidation. CrystEngComm. 20 (47), 7659-7665 (2018).
