Synthese van enkelkristallijne kern-schil metaal-organische raamwerken
Summary
Hier demonstreren we een protocol voor de tweestapssynthese van enkelkristallijne kernschillen met behulp van een niet-isostructureel metaal-organisch raamwerk (MOF)-paar, HKUST-1 en MOF-5, die goed op elkaar afgestemde kristalroosters hebben.
Abstract
Vanwege hun ontwerpbaarheid en ongekende synergetische effecten zijn kern-schaal metaal-organische raamwerken (MOF’s) de laatste tijd actief onderzocht. De synthese van enkelkristallijne kern-schil MOF’s is echter zeer uitdagend en daarom is een beperkt aantal voorbeelden gerapporteerd. Hier stellen we een methode voor om enkelkristallijne HKUST-1@MOF-5 core-shells te synthetiseren, namelijk HKUST-1 in het centrum van MOF-5. Door middel van het computationele algoritme werd voorspeld dat dit paar MOF’s de overeenkomende roosterparameters en chemische verbindingspunten op het grensvlak zou hebben. Om de kern-schilstructuur te construeren, hebben we de octaëdrale en kubusvormige HKUST-1-kristallen geprepareerd als een kern-MOF, waarin respectievelijk de (111) en (001) facetten voornamelijk werden blootgelegd. Via de sequentiële reactie was de MOF-5-schil goed gegroeid op het blootgestelde oppervlak, met een naadloze verbindingsinterface, wat resulteerde in de succesvolle synthese van enkelkristallijne HKUST-1@MOF-5. Hun zuivere fasevorming werd bewezen door optische microscopische beelden en poederröntgendiffractie (PXRD)-patronen. Deze methode presenteert het potentieel van en inzicht in de enkelkristallijne kern-schilsynthese met verschillende soorten MOF’s.
Introduction
MOF-on-MOF is een soort hybride materiaal dat bestaat uit twee of meer verschillende metaal-organische raamwerken (MOF’s)1,2,3. Vanwege de verschillende mogelijke combinaties van bestanddelen en structuren, bieden MOF-on-MOF’s gevarieerde nieuwe composieten met opmerkelijke eigenschappen, die niet zijn bereikt in afzonderlijke MOF’s, en bieden ze een groot potentieel in veel toepassingen 4,5,6. Van de verschillende soorten MOF-op-MOF’s heeft een kern-schaalstructuur waarin de ene MOF de andere omringt het voordeel dat de eigenschappen van beide MOF’s worden geoptimaliseerd door een meer uitgewerkt systeemte ontwerpen 5,6,7,8,9,10. Hoewel er veel voorbeelden van kern-shell MOF’s zijn gerapporteerd, zijn enkelkristallijne core-shell MOF’s zeldzaam en zijn ze met succes gesynthetiseerd, meestal uit isostructurele paren11,12,13. Bovendien zijn enkelvoudige kristallijne kern-schil MOF’s die zijn geconstrueerd met behulp van niet-isostructurele MOF-paren zelden gerapporteerd, vanwege de moeilijkheid om een paar te selecteren dat een goed op elkaar afgestemd kristalrooster vertoont3. Om naadloze interfaces van de enkelkristallijne kern-shell MOF’s te bereiken, zijn een goed op elkaar afgestemd kristalrooster en chemische verbindingspunten tussen de twee MOF’s van cruciaal belang. Hier wordt het chemische verbindingspunt gedefinieerd als de ruimtelijke locatie waar de linker/metaalknoop van de ene MOF de metalen knoop/linker van de tweede MOF ontmoet via een coördinatiebinding. In onze vorige rapporten14 werd het computationele algoritme gebruikt om te screenen op optimale doelen voor synthese, en zes gesuggereerde MOF-paren werden met succes gesynthetiseerd.
Dit artikel demonstreert een protocol voor het synthetiseren van een enkelkristallijne kern-shell MOF van een HKUST-1 en MOF-5 paar, dit zijn iconische MOF’s die zijn samengesteld uit totaal verschillende bestanddelen en topologieën. HKUST-1 werd als kern gekozen omdat het stabieler is dan MOF-5 onder solvothermische reactieomstandigheden15,16. Bovendien, omdat de chemische verbindingspunten tussen MOF-5 en HKUST-1 goed op elkaar zijn afgestemd in zowel de (001) als de (111) vlakken, werden kubische en octaëdrische HKUST-1-kristallen waarin elk vlak is blootgesteld, gebruikt als de kern-MOF. Dit protocol suggereert de mogelijkheid om meer diverse core-shell MOF’s te synthetiseren met lattice-matching.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dit protocol werden kubus- en octaëdraalvormige HKUST-1-kristallen gesynthetiseerd, verwijzend naar een eerder gerapporteerde methode14. Voor de synthese van HKUST-1 werd H 3 BTC-oplossing toegevoegd tijdens het verwarmen en roeren van de oplossing van Cu(NO 3)2·2.5H2O om de neerslag van H3 BTC te voorkomen naarmatede temperatuur daalde. Vervolgens werd azijnzuur onmiddellijk toegevoegd om snelle kiemvorming te voorkomen en de groei van e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de National Research Foundation of Korea (NRF) Grant, gefinancierd door het Ministerie van Wetenschap en het ICP (nr. NRF-2020R1A2C3008908 en 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).
