Hóa học và Ứng dụng của Cấu trúc Khung Hữu cơ Kim loại
Tóm tắt
Cấu trúc khung hữu cơ kim loại (MOFs) được tạo thành bằng cách liên kết các đơn vị vô cơ và hữu cơ thông qua các liên kết mạnh (tổng hợp mạng). Sự linh hoạt trong việc thay đổi hình học, kích thước và chức năng của các thành phần đã dẫn đến hơn 20.000 MOFs khác nhau được báo cáo và nghiên cứu trong thập kỷ qua. Các đơn vị hữu cơ là các carboxylat hữu cơ ditopic hoặc polytopic (và các phân tử tích điện âm tương tự khác), khi liên kết với các đơn vị chứa kim loại, tạo ra các cấu trúc tinh thể MOF có kiến trúc chắc chắn với độ xốp điển hình lớn hơn 50% thể tích tinh thể MOF. Giá trị diện tích bề mặt của MOFs như vậy thường dao động từ 1000 đến 10,000 m 2 /g, vượt qua các vật liệu xốp truyền thống như zeolites và carbons. Cho đến nay, MOFs có độ xốp cố định đã trở thành loại đa dạng và phong phú hơn bất kỳ lớp vật liệu xốp nào khác. Những khía cạnh này đã làm cho MOFs trở thành ứng viên lý tưởng để lưu trữ nhiên liệu (hydro và methane), bắt giữ carbon dioxide và ứng dụng xúc tác, để kể một vài ví dụ.
Khả năng thay đổi kích thước và đặc tính của cấu trúc MOF mà không thay đổi cấu trúc dưới của chúng đã tạo ra nguyên lý đồng cấu trúc và ứng dụng của nó trong việc tạo ra MOFs với kích thước lỗ lớn nhất (98 Å) và mật độ thấp nhất (0,13 g/cm 3 ). Điều này đã cho phép đưa vào chọn lọc các phân tử lớn (ví dụ, vitamin B 12 ) và protein (ví dụ, protein huỳnh quang xanh) và khai thác các lỗ chân lông làm bình phản ứng. Dọc theo những dòng này, độ bền nhiệt và hóa học của nhiều MOFs đã khiến chúng trở nên thích hợp cho các phương pháp chức năng hóa hậu tổng hợp vô cơ và phức hợp kim loại. Các khả năng này cho phép tăng đáng kể lưu trữ khí trong MOFs và đã dẫn đến việc nghiên cứu sâu rộng của chúng trong xúc tác các phản ứng hữu cơ, hoạt hóa các phân tử nhỏ (hydro, methane, và nước), tách khí, hình ảnh y sinh và dẫn proton, electron và ion. Hiện nay, các phương pháp đang được phát triển để tạo ra các tinh thể nano và siêu tinh thể của MOFs để đưa vào thiết bị.
Kiểm soát chính xác chuỗi lắp ráp của MOFs dự kiến sẽ thúc đẩy lĩnh vực này tiến xa hơn vào các lĩnh vực hóa học tổng hợp mới, trong đó có thể tiếp cận các vật liệu tinh vi hơn nhiều. Ví dụ, các vật liệu có thể được hình dung như có (i) các khoang liên kết với nhau để hoạt động riêng lẻ, nhưng hoạt động đồng bộ; (ii) sự uyển chuyển để thực hiện các hoạt động song song; (iii) khả năng đếm, phân loại và mã hóa thông tin; và (iv) khả năng động học với độ trung thực cao. Những nỗ lực theo hướng này đang được thực hiện thông qua việc giới thiệu một số lượng lớn các nhóm chức khác nhau trong lỗ chân lông của MOFs. Điều này tạo ra các cấu trúc đa biến trong đó sự sắp xếp các chức năng khác nhau dẫn đến việc cung cấp một sự kết hợp đồng bộ các thuộc tính. Công việc trong tương lai sẽ bao gồm việc lắp ráp các cấu trúc hóa học từ nhiều loại đơn vị xây dựng khác nhau, sao cho chức năng của các cấu trúc này được chỉ định bởi sự dị hỗn của sự sắp xếp cụ thể của các thành phần của chúng.
Từ khóa
#cấu trúc khung hữu cơ kim loại #reticular synthesis #carboxylat hữu cơ #lỗ chân không #lưu trữ khí #xúc tác #cấu trúc đa biến #dẫn ion.Tài liệu tham khảo
2012 metal-organic frameworks issue. Chem. Rev. 112, 673–1268 (2012); http://pubs.acs.org/toc/chreay/112/2.
A. F. Wells Structural Inorganic Chemistry (Oxford Univ. Press New York 1984).
Mercedes-Benz F125; www.emercedesbenz.com/autos/mercedes-benz/concept-vehicles/mercedes-benz-f125-research-vehicle-technology.
Green Car Congress; www.greencarcongress.com/2010/10/basf-develops-method-for-industrial-scale-mof-synthesis-trials-underway-in-natural-gas-vehicle-tanks.html.
Z. Ni thesis University of California Los Angeles (2007).
O. M. Yaghi Hydrogen storage in metal-organic frameworks (2008); www.hydrogen.energy.gov/pdfs/review08/st_12_yaghi.pdf.