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无需高温、高压和有毒试剂,生产MOF材料就像修补玩具一样简单
无需高温、高压和有毒试剂,生产MOF材料就像修补玩具一样简单！
金属有机框架 (MOF) 是一类很有前途的材料，可用作催化剂、传感器和气体储存。在过去的二十年中得到广泛研究，MOF 通常是使用需要高温和高压的化学工艺生产的。
现在，特拉华大学化学家乔尔·罗森塔尔 (Joel Rosenthal) 和埃里克·布洛赫 (Eric Bloch) 报告说，可以在室温下直接使用可再生电力生产铁基 MOF 材料。
UD 开发的方法在使用电力快速、可靠和廉价地形成 MOF 材料方面有 96% 的效率。UD 研究人员在美国化学学会期刊ACS Central Science上 发表的一篇新论文中报告了这一进展 。
根据 UD 艺术与科学学院化学和生物化学教授 Rosenthal 的 说法，考虑 MOF 的一个简单方法是想象修补玩具，其中金属原子簇代表玩具的木轮，小有机分子代表连接的细长棍子群集在一起。
介于两者之间的是具有巨大潜力的化学存储和分离空间。例如，豌豆大小的一堆 MOF 材料具有两个足球场大小的内表面积，可用于储存甲烷或氢气等气体、分离气体和催化反应。它们甚至可以用作传感器。
电化学专家罗森塔尔说，我们可以生产的材料质量与您对最佳热方法的期望一样好，但更具可扩展性和可持续性。我们的发现是使 MOF 成为许多不同应用的更实用选择的重要一步。
电力驱动化学
将 MOF 限制在学术实验室的一个挑战是大规模制造它们很困难，而且不是特别环保。所以，罗森塔尔有了开始用电来触发 MOF 合成的想法。使用电力可以在室温下轻松调节引入合成过程的能量，从而创造一种更安全的制造 MOF 的方法，无需通常使用的高温、高压和有时有毒试剂。
驱车前往特拉华州纪念桥脚下，在特拉华州和新泽西州两侧，您会看到大小与小型竞技场或体育场相当的化学工厂。这些工厂内有一些反应器，这些反应器会进行一些不同的化学反应，以制造对社会有用的化学品。
为了在商业或商品规模上有效地进行许多热化学过程，通常需要这些大的占地面积和非常昂贵的基础设施，但电化学提供了一种打破这些规则的方法，罗森塔尔说，你不需要建造一个巨大的电化学工厂来有效地扩大电化学方法的规模。就从学术实验室到商业市场的转化而言，电合成通常用途更广。
然而，化学反应并不像坐在客厅里连接轮子和棍子的孩子那么简单。迄今为止，MOF 合成的进展受到可以使用的金属组合以及可以使用热方法组合的合成和有机材料种类的限制。
该论文特别关注使用铁原子簇制备 MOF 材料。Rosenthal 和 Bloch 并不是第一个制造铁 MOF 的人。罗森塔尔解释说，传统上，研究人员通过采用铁 (3+) 盐、有机分子和相对昂贵的溶剂来制造这些材料，这些溶剂在某些反应条件下会分解，然后在密封容器中在高压下加热至少一天，有时是几天，然后打开它看看他们得到了什么。
相比之下，他和布洛赫从含有溶剂、有机分子和铁 (2+) 离子的溶液开始，这些离子有一个额外的电子，可以改变铁的行为方式。研究人员使用由碳或一种导电玻璃制成的电极使电流通过溶液，并将溶液中金属颗粒的电荷从铁 (2+) 转换为铁 (3+)。它就像一个开关，使铁具有更高的电荷，因此它可以直接有效地生产 MOF，没有副反应或传统热化学方法的典型影响。
当电极从铁中获取电子时，铁会找到一个有机连接器并制造一些 MOF。它的效率几乎为 100%，因为我们移动的每个电子都会导致 MOF 合成。没有任何副反应或不需要的产物，专门研究金属有机骨架和吸附材料的化学和生物化学助理教授布洛赫说。
此外，如果使用正确类型的电极，可以做的不仅仅是创建和收集 MOF 产品。研究团队可以直接在导电基板上生长材料，这一优势可以使 MOF 用于各种设备和图案支撑，从而使先进的 MOF 传感器触手可及。
Rosenthal 解释说，要将 MOF 制成传感器，您需要一种将其与导电支架互连以获取读数的方法。他说，直到现在，这不是研究界想出如何做得好的事情。在 UD 团队的电极支架上电化学合成和生长 MOF 提供了一种硬连线 MOF 以实现材料之间更好通信的方法。
这种技术可能用于微型传感器的一种方式是在手机中，以测量空气质量或选择性地检测空气中的颗粒，作为机场安全措施的一部分。
现在检测气体和分子非常简单，类似于烟雾探测器根据反应性检测一种气体而不是另一种气体的工作方式，布洛赫说。
电合成反应也很快，导致 MOF 粉末在几分钟内在溶液中形成。虽然在溶液中放置时间过长的材料通常会随着时间的推移而降解或完全由于副反应而继续变成不同的材料，但通过电合成产生的 MOF 材料是稳定的，并且会简单地沉淀在小瓶的底部。由于电合成过程是在室温下进行的，因此材料分解的问题要少得多。
电解运行的时间越长，可以作为产品被虹吸掉的 MOF 材料的量就越大。研究人员说，该方法的简单性使其在将其从学术实验室工作台转化为商业市场方面具有通用性。
该论文的合著者、研究生安娜·韦弗 (Anna Weaver) 今年夏天才到达 UD，但罗森塔尔说，她在证明团队方法的有效性方面发挥了关键作用。Weaver 进行了几次后期实验，为论文提供了额外的数据。
安娜如此迅速地做出贡献的能力说明了她的才能和进行这种化学反应的容易程度。不需要学习一门黑暗艺术就能让它发挥作用。
电驱动化学还为探索被预测具有优异 MOF 特性的材料打开了大门，例如基于钴的材料，但由于它们与依赖热量来启动反应的传统化学不兼容，因此仍然未知。
作为催化剂，我们知道某些金属作为 MOF 会非常出色，但常规方法不起作用。我们认为这是一条制造稳定且反应性很强的新 MOF 的途径，其性质与我们以前能够获得的完全不同，Bloch 说。
原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_496289.html
来源：贤集网
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