پیش‌نویس:چارچوب‌های فلزی-آلی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
اسکن تصویر میکروسکوپ الکترونی از دانه داخل یک بلور MOF

چارچوب های فلزی- آلی (MOF) یک کلاس از ترکیبات متشکل از یون های فلزی یا خوشه‌ای هستند که با لیگاند های آلی هماهنگ می شوند تا ساختارهای یک ، دو یا سه بعدی را تشکیل دهند. آنها زیر مجموعه ای از پلیمرهای کوئوردیناسیونی بوده و با این ویژگی خاص که اغلب متخلخل می‌باشند. لیگاندهای آلی موجود در بعضی مواقع به عنوان "پایه(struts)" شناخته می شوند که یک نمونه آن ترفتالیک اسید است.

به طور رسمی تر ، یک چارچوب فلزی- آلی یک شبکه هماهنگی با لیگاند های آلی است که دارای حفره های بالقوه است. شبکه هماهنگی یک مجموعه هماهنگی است که از طریق تکرار نهادهای هماهنگی ، در یک بعد گسترش می یابد ، اما با پیوندهای متقابل بین دو یا چند زنجیره فردی ، حلقه یا اسپیرو پیوندها ، یا یک مجموعه هماهنگی که از طریق تکرار نهادهای هماهنگی در دو یا سه گسترش می یابد. ابعاد؛ و در آخر ، یک پلیمر کوئوردیناسیونی یک ترکیب هماهنگی با تکرار نهادهای هماهنگی است که در یک ، دو یا سه بعد گسترش می یابد. [۱]

در بعضی موارد ، منافذ در حین از بین بردن مولکولهای مهمان (اغلب حلالها) پایدار هستند و می توانند با ترکیبات دیگر پر شوند. به خاطر این خاصیت، MOF مورد علاقه برای ذخیره گازهایی مانند هیدروژن و دی اکسید کربن است . دیگر کاربردهای ممکن از MOFs در تصفیه گاز، در جداسازی گاز ، در فروکافت ،کاتالیزورها، به عنوان مواد جامد رسانام و به عنوان ابرخازنهااست . [۲]

سنتز و خواص MOF تمرکز اصلی این رشته به نام شیمی همبندبافتی (از reticulum در لاتین به معنی "شبکه کوچک")است. [۳] در مقابل MOF ها ، چارچوب آلی کووالانسی (COF) کاملاً از عناصر سبک (H ، B ، C ، N و O) با ساختارهای گسترده ساخته شده است. [۴]

ساختار[ویرایش]

MOF ها از دو مؤلفه اصلی تشکیل شده اند: یونی فلزی یا خوشه یون های فلزی و یک مولکول آلی به نام پیوند دهنده. به همین دلیل ، اغلب از آنها به عنوان مواد آلی-معدنی ترکیبی یاد می شود. با این حال ، این اصطلاحات اخیراً کنار گذاشته شده است. [۱] واحدهای ارگانیک به طور معمول لیگاندهای تک ، دو- ، سه- ظرفیتی هستند. [۵] انتخاب فلز و پیوند دهنده، ساختار و از این رو خواص MOF را دیکته می کند. به عنوان مثال ، ترجیح عدد هم‌آراییی فلز با بیان اینکه چه تعداد لیگاند می تواند به فلز متصل شود و در کدام جهت گیری قرار بگیرد ، بر اندازه و شکل منافذ تأثیر می گذارد.

طبقه بندی مواد ترکیبی بر اساس ابعاد [۶]
ابعاد معدنی
0 1 2 3
0 مجتمع های مولکولی زنجیره های معدنی ترکیبی لایه های معدنی ترکیبی 3-D هیبریدهای معدنی
1 پلیمرهای هماهنگی زنجیره ای لایه های مخلوط معدنی و آلی چارچوب مخلوط معدنی و آلی 3 بعدی
2 هماهنگی لایه ای پلیمر چارچوب مخلوط معدنی و آلی 3 بعدی
3 پلیمرهای هماهنگی 3 بعدی

برای توصیف و سازماندهی ساختارهای MOF ، سیستم نامگذاری توسعه یافته است. زیر واحد های یک MOF ، به نام واحدهای ساختمان ثانویه (SBU) ، می توان با توپولوژی های مشترک در چندین سازه توصیف کرد. به هر توپولوژی ، که به آن خال نیز گفته می شود ، نمادی اختصاص داده می شود که از سه حرف کوچک به صورت ضخیم تشکیل شده است. به عنوان مثال MOF-5 دارای شبکه pcu است.

پیوند به SBU ها لیگاند های واسطههستند . برای MOF ، لیگاندهای بریج معمولی اسیدهای دی- و تریک کربوکسیلیک هستند. این لیگاند ها به طور معمول دارای ستون فقرات سفت و سخت هستند.

SBU اغلب از ساختار پایه استات روی حاصل می شود ، و استات ها توسط دی یا تریکربوکسیلت جایگزین می شوند.

سنتز[ویرایش]

مطالعه MOF از مطالعه زئولیت ساخته شده است . به استثنای استفاده از لیگاندهای از پیش ساخته ، MOF ها و زئولیت ها تقریباً به طور انحصاری با تکنیک های هیدروترمال یا محلول گرمایی تولید می شوند ، جایی که کریستال ها به آرامی از محلول گرم رشد می کنند. در مقابل با زئولیتها ، MOF از پل زدن لیگاندهای آلی ساخته می شوند که در طول سنتز دست نخورده باقی مانده اند. [۷] سنتز زئولیت اغلب از "الگویی" استفاده می کند.این الگوها یونهایی هستند که بر ساختار چارچوب در حال رشد معدنی تأثیر می گذارند. یونهای قالب معمولی کاتیونهای آمونیوم چهارگانه هستند که بعداً برداشته می شوند. در MOF ، چارچوب توسط SBU (واحد ساختمان ثانویه) و لیگاندهای ارگانیک طراحی می شود. [۸] [۹] یک روش جذاب که برای MOF های در نظر گرفته شده برای ذخیره گاز مفید است ، استفاده از حلال های پیوند فلزی مانند N ، N-diethylformamide و آب است. در این موارد ، مکانهای فلزی هنگام تخلیه حلال در معرض دید قرار می گیرند و باعث می شوند هیدروژن در این مکانها بچسبد. [۱۰]

از آنجا که لیگاندهای موجود در MOF ها به طور معمول قابل برگشت هستند ، رشد آهسته کریستالها اغلب اجازه می دهد نقصها برطرف شوند ، در نتیجه ماده ای با کریستال های در مقیاس میلی متر و تراکم نقص تقریباً تعادل ایجاد می شود. سنتز حلال گرم برای رشد کریستال های مناسب برای تعیین ساختار مفید است ، زیرا کریستال ها در طی ساعاتی تا چند روز رشد می کنند. با این حال ، استفاده از MOF به عنوان مواد ذخیره سازی برای محصولات مصرفی نیاز به مقیاس گسترده ای از سنتز آنها دارد. مقیاس بندی MOF به طور گسترده ای مورد مطالعه قرار نگرفته است ، اگرچه چندین گروه نشان داده اند که میکروبول ها می توانند برای هسته کریستالهای MOF به سرعت از محلول استفاده کنند. [۱۱] [۱۲] این تکنیک که با عنوان "سنتز حلال گرمایی با کمک مایکروویو" شناخته می شود ، به طور گسترده ای درمقالات زئولیت مورد استفاده قرار می گیرد ، [۷] و کریستال های مقیاس میکرون را در عرض چند ثانیه تا دقیقه تولید می کند ، در بازده هایی مشابه رشد آهسته است.

برخی از MOF ها ، مانند MIL-100 mesoporous (Fe) ، [۱۳] را می توان در شرایط خفیف در دمای اتاق و در حلال های سبز (آب ، اتانول) از طریق روش های سنتز مقیاس پذیر بدست آورد.

نیمه هادی ها[ویرایش]

در سال 2014 محققان ثابت کردند که آنها می توانند فیلم های نازک الکتریکی از MOF ایجاد کنند که می تواند کاربردی از جمله فتوولتائیک ، حسگرها و مواد الکترونیکی و مسیری برای ایجاد نیمه هادی ها مورد استفاده قرار گیرد. این تیم هدایت الکتریکی قابل تنظیم و پایدار در هوا را با مقادیری به اندازه 7 سیمنس در متر نشان دادند که قابل مقایسه با برنز است. [۱۴]

  1. ↑ ۱٫۰ ۱٫۱ Batten SR, Champness NR, Chen XM, Garcia-Martinez J, Kitagawa S, Öhrström L, O'Keeffe M, Suh MP, Reedijk J (2013). "Terminology of metal–organic frameworks and coordination polymers (IUPAC Recommendations 2013)" (PDF). Pure and Applied Chemistry. 85 (8): 1715–1724. doi:10.1351/PAC-REC-12-11-20.
  2. ↑ Metal-Organic Frameworks Applications from Catalysis to Gas Storage. Wiley-VCH. 2011. ISBN 978-3-527-32870-3.
  3. ↑ O'Keeffe M, Yaghi OM (2005). "Reticular chemistry—Present and future prospects" (PDF). Journal of Solid State Chemistry. 178 (8): v–vi. Bibcode:2005JSSCh.178D...5.. doi:10.1016/S0022-4596(05)00368-3.
  4. ↑ Côté AP, Benin AI, Ockwig NW, O'Keeffe M, Matzger AJ, Yaghi OM (November 2005). "Porous, crystalline, covalent organic frameworks". Science. 310 (5751): 1166–70. Bibcode:2005Sci...310.1166C. doi:10.1126/science.1120411. PMID 16293756.
  5. ↑ Czaja AU, Trukhan N, Müller U (May 2009). "Industrial applications of metal-organic frameworks". Chemical Society Reviews. 38 (5): 1284–93. doi:10.1039/b804680h. PMID 19384438.
  6. ↑ Cheetham AK, Rao CN, Feller RK (2006). "Structural diversity and chemical trends in hybrid inorganic–organic framework materials". Chemical Communications (46): 4780–4795. doi:10.1039/b610264f. PMID 17345731.
  7. ↑ ۷٫۰ ۷٫۱ Cheetham AK, Férey G, Loiseau T (November 1999). "Open-Framework Inorganic Materials". Angewandte Chemie. 38 (22): 3268–3292. doi:10.1002/(SICI)1521-3773(19991115)38:22<3268::AID-ANIE3268>3.0.CO;2-U. PMID 10602176.
  8. ↑ Bucar DK, Papaefstathiou GS, Hamilton TD, Chu QL, Georgiev IG, MacGillivray LR (2007). "Template-controlled reactivity in the organic solid state by principles of coordination-driven self-assembly". European Journal of Inorganic Chemistry. 2007 (29): 4559–4568. doi:10.1002/ejic.200700442.
  9. ↑ Parnham ER, Morris RE (October 2007). "Ionothermal synthesis of zeolites, metal-organic frameworks, and inorganic-organic hybrids". Accounts of Chemical Research. 40 (10): 1005–13. doi:10.1021/ar700025k. PMID 17580979.
  10. ↑ Dincă M, Long JR (2008). "Hydrogen storage in microporous metal-organic frameworks with exposed metal sites". Angewandte Chemie. 47 (36): 6766–79. doi:10.1002/anie.200801163. PMID 18688902.
  11. ↑ Ni Z, Masel RI (September 2006). "Rapid production of metal-organic frameworks via microwave-assisted solvothermal synthesis". Journal of the American Chemical Society. 128 (38): 12394–5. doi:10.1021/ja0635231. PMID 16984171.
  12. ↑ Choi JS, Son WJ, Kim J, Ahn WS (2008). "Metal–organic framework MOF-5 prepared by microwave heating: Factors to be considered". Microporous and Mesoporous Materials. 116 (1–3): 727–731. doi:10.1016/j.micromeso.2008.04.033.
  13. ↑ Steenhaut, Timothy; Hermans, Sophie; Filinchuk, Yaroslav (2020). "Green synthesis of a large series of bimetallic MIL-100(Fe,M) MOFs". New Journal of Chemistry (به انگلیسی). 44 (10): 3847–3855. doi:10.1039/D0NJ00257G. ISSN 1144-0546.
  14. ↑ Talin AA, Centrone A, Ford AC, Foster ME, Stavila V, Haney P, Kinney RA, Szalai V, El Gabaly F, Yoon HP, Léonard F, Allendorf MD (January 2014). "Tunable electrical conductivity in metal-organic framework thin-film devices". Science. 343 (6166): 66–9. Bibcode:2014Sci...343...66T. doi:10.1126/science.1246738. PMID 24310609.
برگرفته از «https://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=پیش‌نویس:چارچوب‌های_فلزی-آلی&oldid=29832010»