Síntese de estruturas metal-orgânicas de núcleo cristalino único
Summary
Aqui, demonstramos um protocolo para a síntese em duas etapas de núcleos monocristalinos usando um par não-isoestrutural metal-orgânico (MOF), HKUST-1 e MOF-5, que possuem reticulados cristalinos bem combinados.
Abstract
Devido à sua designabilidade e efeitos sinérgicos sem precedentes, as estruturas metal-orgânicas core-shell (MOFs) têm sido ativamente examinadas recentemente. No entanto, a síntese de MOFs de núcleo monocristalino é muito desafiadora e, portanto, um número limitado de exemplos tem sido relatado. Aqui, sugerimos um método de síntese de núcleos monocristalinos HKUST-1@MOF-5, que é HKUST-1 no centro do MOF-5. Através do algoritmo computacional, este par de MOFs foi previsto para ter os parâmetros de rede e pontos de conexão química correspondentes na interface. Para construir a estrutura núcleo-casca, preparamos os cristais HKUST-1 em forma octaédrica e cúbica como um MOF central, no qual as facetas (111) e (001) foram principalmente expostas, respectivamente. Através da reação sequencial, a casca do MOF-5 foi bem cultivada na superfície exposta, mostrando uma interface de conexão contínua, que resultou na síntese bem sucedida de HKUST-1@MOF-5 monocristalino. Sua formação de fase pura foi comprovada por imagens microscópicas ópticas e padrões de difração de raios X de pó (PXRD). Este método apresenta o potencial e os insights sobre a síntese núcleo-casca monocristalina com diferentes tipos de MOFs.
Introduction
MOF-on-MOF é um tipo de material híbrido composto por duas ou mais estruturas metal-orgânicas (MOFs) diferentes1,2,3. Devido às várias combinações possíveis de constituintes e estruturas, os MOF-sobre-MOFs fornecem novos compósitos variados com propriedades notáveis, que não foram alcançadas em MOFs isolados, oferecendo grande potencial em muitas aplicações 4,5,6. Dentre os vários tipos de MOF-on-MOFs, uma estrutura core-shell em que um MOF envolve outro tem a vantagem de otimizar as características de ambos os MOFs ao projetar um sistema mais elaborado 5,6,7,8,9,10. Embora muitos exemplos de MOFs núcleo-casca tenham sido relatados, MOFs núcleo-casca monocristalinos são incomuns e têm sido sintetizados com sucesso principalmente a partir de pares isoestruturais11,12,13. Além disso, MOFs núcleo-casca cristalinos simples construídos usando pares MOF não isoestruturais têm sido raramente relatados, devido à dificuldade em selecionar um par que exiba uma rede cristalina bem compatível3. Para obter interfaces perfeitas dos MOFs de núcleo monocristalino, uma rede cristalina bem combinada e pontos de conexão química entre os dois MOFs são críticos. Aqui, o ponto de conexão química é definido como a localização espacial onde o nó ligante/metal de um MOF encontra o nó/ligante metálico do segundo MOF através de uma ligação de coordenação. Em nossos relatos anteriores14, o algoritmo computacional foi usado para selecionar alvos ótimos para síntese, e seis pares de MOF sugeridos foram sintetizados com sucesso.
Este artigo demonstra um protocolo para sintetizar um MOF núcleo-casca monocristalino de um par HKUST-1 e MOF-5, que são MOFs icônicos compostos de constituintes e topologias totalmente diferentes. O HKUST-1 foi escolhido como núcleo por ser mais estável que o MOF-5 em condições de reação solvotérmica15,16. Além disso, como os pontos de conexão química entre MOF-5 e HKUST-1 são bem combinados nos planos (001) e (111), cristais cúbicos e octaédricos de HKUST-1 nos quais cada plano é exposto foram usados como MOF central. Este protocolo sugere a possibilidade de sintetizar MOFs core-shell mais diversos com correspondência de treliça.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nesse protocolo, cristais de HKUST-1 em forma cúbica e octaédrica foram sintetizados, referindo-se a um método previamenterelatado14. Para a síntese de HKUST-1, a solução de H 3 BTC foi adicionada enquanto aqueceva e agitava a solução de(NO 3)2·2.5H2O para evitar a precipitação de H3 BTC àmedida que a temperatura diminuía. Posteriormente, o ácido acético foi adicionado imediatamente para evitar a nucleação rápida e garantir o…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pela National Research Foundation of Korea (NRF) Grant financiado pelo Ministério da Ciência e pelo ICP (No. NRF-2020R1A2C3008908 e 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).
