Forskere bruger dampaflejring til at lave kovalente organiske rammefilm

Rice University materialeforskere udviklede en hurtig, billig, skalerbar metode til at lave kovalente organiske rammer (COF'er), en klasse af krystallinske polymerer, hvis afstembare molekylære struktur, store overfladeareal og porøsitet kunne være nyttige i energiapplikationer, halvlederenheder, sensorer, filtreringssystemer og lægemiddellevering.

"Det, der gør disse strukturer så specielle, er, at de er polymerer, men de arrangerer sig selv i en ordnet, gentagende struktur, der gør det til en krystal," sagde Jeremy Daum, en Rice doktorand og hovedforfatter af en undersøgelse offentliggjort i ACS Nano . "Disse strukturer ligner lidt hønsenet - de er sekskantede gitter, der gentager sig selv på et todimensionelt plan, og så stables de oven på sig selv, og det er sådan, du får et lagdelt 2D-materiale."

Alec Ajnsztajn, en Rice-doktoralumne og undersøgelsens anden hovedforfatter, sagde, at synteseteknikken gør det muligt at producere bestilte 2D krystallinske COF'er på rekordtid ved hjælp af dampaflejring.

"Mange gange, når du laver COF'er gennem løsningsbehandling, er der ingen justering på filmen," sagde Ajnsztajn. "Denne synteseteknik giver os mulighed for at kontrollere arkets orientering og sikre, at porerne er justeret, hvilket er det, du ønsker, hvis du laver en membran."

Evnen til at kontrollere porestørrelsen er nyttig i separatorer, hvor COF'er kan tjene som membraner til afsaltning og potentielt hjælpe med at erstatte energikrævende processer som destillation. Inden for elektronik kunne COF'er bruges som batteriseparatorer og organiske transistorer.

"COF'er har potentialet til at være nyttige i en række katalytiske processer ⎯ du kan for eksempel bruge COF'er til at nedbryde kuldioxid til nyttige kemikalier som ethylen og myresyre," sagde Daum.

En af de forhindringer, der forhindrer COF'er i at blive brugt mere bredt, er, at produktionsmetoder, der involverer løsningsbehandling, er længerevarende og vanskeligere at rumme i industrielle omgivelser.

"Det kan tage tre til fem dages reaktionstid at producere pulverne til de opløsninger, der er nødvendige for at generere COF'er," sagde Ajnsztajn. "Vores metode er meget hurtigere. Efter måneders optimering lykkedes det os at producere film af høj kvalitet på kun 20 minutter eller mindre."

For at sikre sig, at deres film udviste den rigtige molekylære struktur, tog Daum og Ajnsztajn til Argonne National Laboratory, hvor de analyserede deres prøver ved hjælp af Advanced Photon Source og arbejdede kontinuerligt på skift i 71 timer.

"Vi vidste, at det var 'go'-tid, men vi var så glade for resultaterne," sagde Daum. "Vi var nødt til at gå til et nationalt laboratorium, fordi denne teknik var den eneste måde at måle kvaliteten af ​​vores film og sikre, at vi havde taget de rigtige foranstaltninger for at optimere dem."

Mikroskopiundersøgelser gav indsigt i, hvordan COF-krystaller vokser og hjalp med at vise, at temperaturer på op til 340°C (~644°F) kunne bruges til at syntetisere organiske molekyler.

"Mens vi arbejdede på dette projekt, har vi hørt fra mange mennesker, der troede, at opvarmning af organiske molekyler op til så høje temperaturer ville forhindre de rigtige reaktioner i at opstå, men det, vi fandt, er, at kemisk dampaflejring i virkeligheden er en levedygtig måde. at skabe organiske materialer," sagde Ajnsztajn.

For at lave COF'erne byggede Daum og Ajnsztajn en ad hoc-reaktor af kasserede laboratorieudstyrsdele og andre billige, let tilgængelige materialer.

"Hele denne proces var noget, der var meget billigt at samle," sagde Daum. "Etablering af en robust, skalerbar proces til fremstilling af en række COF-film vil forhåbentlig give mulighed for bedre anvendelse af COF'er i katalyse, energilagring, membraner og mere."

Flere oplysninger: Jeremy P. Daum et al., Solutions Are the Problem:Bestilt todimensionelle kovalente organiske rammefilm ved kemisk dampaflejring, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c06142

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af Rice University