Brug af elektricitet til at give kemi et løft

Metal organiske rammer (MOF'er) er en lovende klasse af materialer, der har mange anvendelser som katalysatorer, sensorer og til gasopbevaring. Bredt undersøgt i løbet af de sidste to årtier, MOF'er produceres typisk ved hjælp af kemiske processer, der kræver høj varme og højt tryk.

Nu, Kemikere fra University of Delaware Joel Rosenthal og Eric Bloch rapporterer, at det er muligt at producere jernbaserede MOF-materialer direkte ved hjælp af vedvarende elektricitet ved stuetemperatur.

Den UD-udviklede metode er 96% effektiv til at bruge elektricitet til hurtigt at danne MOF-materialer, pålideligt og billigt. UD -forskerne rapporterede fremgangen i et nyt papir, der blev offentliggjort i ACS Central Science .

Ifølge Rosenthal, professor i kemi og biokemi i UD's College of Arts and Sciences, en let måde at tænke på MOF'er er at forestille sig tinkerlegetøj, hvor klynger af metalatomer repræsenterer legetøjets træhjul og små organiske molekyler repræsenterer de spidse stokke, der forbinder klyngerne med hinanden.

Ind imellem er hulrum med et stort potentiale for kemisk opbevaring og separationer. For eksempel, en bunke MOF -materiale på størrelse med en ært har et indre overfladeareal på størrelse med to fodboldbaner, der kan bruges til at lagre gasser som metan eller brint, adskilte gasser og katalysere reaktioner. De kan endda bruges som sensorer.

"Kvaliteten af ​​de materialer, vi kan producere, er lige så god, som du kan forvente af de bedste termiske metoder, men langt mere skalerbar og bæredygtig, sagde Rosenthal, ekspert i elektrokemi. "Vores opdagelse er et stort skridt fremad for at gøre MOF'er til en mere praktisk mulighed for mange forskellige applikationer."

Elektricitet driver kemien

En udfordring, der har begrænset MOF'er til akademiske laboratorier, er, at det er svært og ikke særlig miljøvenligt at lave dem i stor skala. Så, Rosenthal havde ideen om at begynde at bruge elektricitet til at udløse syntesen af ​​MOF'er. Ved hjælp af elektricitet kan mængden af ​​energi, der introduceres til en syntetisk proces, let justeres ved stuetemperatur, skabe en sikrere måde at lave MOF'er uden de høje temperaturer, højt tryk og undertiden giftige reagenser, der normalt bruges.

Kør til foden af ​​Delaware Memorial Bridge, og på både Delaware og New Jersey siderne vil du se kemiplanter, der hver er på størrelse med en lille arena eller stadion. Disse anlæg huser et par reaktorer, der udfører en håndfuld forskellige kemiske reaktioner for at gøre kemikalier nyttige for samfundet.

"For effektivt at udføre mange termiske kemiske processer på kommercielle eller varemæssige skalaer kræver generelt disse store fodaftryk og meget dyre infrastrukturer, men elektrokemi giver en måde at bryde disse regler, "sagde Rosenthal." Du behøver ikke at bygge et kæmpe elektrokemisk anlæg for effektivt at skalere en elektrokemisk metode. Elektrosyntese er ofte meget mere alsidig med hensyn til oversættelse fra et akademisk laboratorium til den kommercielle markedsplads. "

Kemien er ikke så enkel som et barn, der sidder i stuen og forbinder hjul og pinde, selvom. Fremskridt inden for MOF -syntese til dato har været begrænset af de kombinationer af metaller, der kan bruges, og de former for syntetiske og organiske materialer, der kan kombineres ved hjælp af termiske tilgange.

Papiret fokuserer specifikt på at forberede MOF -materialer ved hjælp af klynger af jernatomer. Rosenthal og Bloch er ikke de første til at lave jern -MOF'er. Traditionelt set Rosenthal forklarede, forskere fremstiller disse materialer ved at tage et jern (3+) salt, et organisk molekyle og et relativt dyrt opløsningsmiddel, der nedbrydes under visse reaktionsbetingelser og opvarmer det hele i en forseglet beholder ved højt tryk i mindst et døgn, nogle gange flere dage, derefter åbne den og se, hvad de får.

Derimod, han og Bloch begynder med en opløsning, der indeholder opløsningsmiddel, organiske molekyler og jern (2+) ioner, som har en ekstra elektron, der ændrer jernets måde at opføre sig på. Forskerne bruger en elektrode fremstillet af enten kulstof eller en type ledende glas til at føre elektricitet gennem opløsningen og skifte ladningen af ​​metalpartiklerne i opløsningen fra jern (2+) til jern (3+). Det er som en switch, gør jernet mere højtladet, så det kan producere MOF på en måde, der er direkte og effektiv, uden bivirkninger eller effekter typisk for traditionelle termiske kemiske metoder.

"Da elektroden tager elektroner fra jern, at jern går og finder en organisk linker og laver noget MOF. Det er næsten 100% effektivt, ved at hver elektron, vi flytter, resulterer i MOF -syntese. Der er ingen bivirkninger eller uønskede produkter, sagde Bloch, en adjunkt i kemi og biokemi, der har specialiseret sig i metalorganiske rammer og adsorberende materialer.

Yderligere, hvis den rigtige type elektrode bruges, det er muligt at gøre mere end at oprette og indsamle MOF -produktet. Forskergruppen kan dyrke materialet direkte på det elektrisk ledende substrat, en fordel, der kunne gøre det muligt at bruge MOF'er i forskellige enheder og mønstrede understøtninger, bringe avancerede MOF -sensorer inden for rækkevidde.

Rosenthal forklarede, at for at gøre en MOF til en sensor skal du have en måde at forbinde den med en elektrisk ledende støtte for at få en aflæsning. Dette er ikke noget, forskersamfundet havde fundet ud af, hvordan de skulle klare sig godt, indtil nu, han sagde. Elektrokemisk syntetisering og vækst af MOF på UD -teamets elektrodeunderstøttelse giver en måde at hardwire MOF'en til bedre kommunikation mellem materialer.

En måde denne teknologi kan bruges på er i miniaturesensorer, måske i mobiltelefoner for at måle luftkvaliteten eller for selektivt at opdage partikler i luften som en del af sikkerhedsforanstaltninger i lufthavne.

"Sensing af gasser og molekyler nu kan være ret ligetil, ligner den måde, din røgdetektor arbejder på at registrere en gasform over en anden baseret på dens reaktivitet, "sagde Bloch.

Den elektrosyntetiske reaktion er hurtig, også, får MOF -pulver til at dannes i opløsningen inden for få minutter. Og selvom materialer, der sidder for længe i opløsning, ofte nedbrydes med tiden eller bliver til et andet materiale helt på grund af sidereaktioner, MOF -materialer, der er skabt via elektrosyntese, er stabile og sætter sig simpelthen på bunden af ​​hætteglasset. Da den elektrosyntetiske proces udføres ved stuetemperatur, materiel nedbrydning er langt mindre bekymrende.

Jo længere elektrolysen kører, jo større mængde MOF -materiale, der kan hæves af som et produkt. Metodens enkelhed gør den alsidig med hensyn til at oversætte den fra en akademisk laboratoriebænk til den kommercielle markedsplads, også, sagde forskerne.

Kandidatstuderende Anna Weaver, en medforfatter på papiret, ankom kun til UD i sommer, men Rosenthal sagde, at hun spillede en nøglerolle i demonstrationen af ​​effektiviteten af ​​holdets metode. Weaver kørte flere eksperimenter i sen fase, der gav yderligere data til papiret.

"Annas evne til at yde bidrag så hurtigt taler både til hendes talenter og den lethed, hvormed denne kemi kan udføres. Det kræver ikke at lære en mørk kunst at få dette til at fungere, " han sagde.

Elektrisk drevet kemi åbner også døren for at udforske materialer, der er forudsagt at have fremragende egenskaber til MOF'er, såsom dem baseret på kobolt, men forbliver ukendte, fordi de er uforenelige med traditionelle kemikalier, der er afhængige af varme for at sætte reaktionen i gang.

"Som katalysatorer, vi ved, at visse metaller ville være fænomenale som MOF'er, men de normale metoder virker ikke. Vi tror, ​​at dette er en vej til at lave nye MOF'er, der er stabile og meget reaktive med helt andre egenskaber, end vi har haft adgang til før, "sagde Bloch.

Andre medforfattere på papiret omfatter nuværende eller tidligere UD-kandidatstuderende i Rosenthal's og Blochs laboratorier, herunder Wenbo Wu, Gerald E. Decker og Amanda Arnoff.