Dessa rombformade partiklar är skanningselektronmikrofotografier av en organisk metallram, kallas ZIF-8, syntetiseras i superkritisk koldioxid (scCO2). PNNL-forskare har rapporterat att scCO2, ett viktigt kommersiellt och industriellt lösningsmedel, kunde spela en nyckel, miljövänlig roll i metall-organisk ramsyntes. Kredit:Pacific Northwest National Laboratory
Långt innan dimetylformamid (DMF) misslyckades i testet för squishy leksak, kemister uttryckte oro över dess användning som lösningsmedel vid konstruktion av metall-organiska ramverk (MOF).
Danmarks miljö- och livsmedelsministerium förklarade i juni 2018 att DMF var bland tre giftiga kemikalier som hittades i leksaker. Kort därefter, leksakerna drogs från de danska butikshyllorna.
När det kom till MOF (porösa nanomaterial med ett brett spektrum av applikationer) har kemister sökt miljömedvetna metoder för MOF-syntes, efter ordspråket "godartad genom design." DMF används som lösningsmedel i MOF-framställningsreaktioner och har sjunkit till den standarden.
"Det genereras mycket avfall i de lösningsmedlen, och bortskaffande kan vara ett verkligt problem, " sa Michael A. Sinnwell, en PNNL postdoc.
Sinnwell, PNNL materialforskare Praveen Thallapally, och kollegor undersökte ett grönare sätt att syntetisera MOF.
"Människor som vill göra MOFs i stor skala - kommersiella företag, till exempel – vill göra det med gröna produktionsprinciper, " sa Sinnwell. "DMF är fortfarande det vanligaste lösningsmedlet som används idag, främst på grund av förutsägbara resultat i sammansättningen, storlek, och formen på de slutliga MOF:erna. Så, om hållbara metoder ska implementeras, Dessa faktorer som är kända för att påverka prestanda måste kontrolleras."
En annan roll för en mångsidig kemikalie
Ett röntgendiffraktionsinstrument användes i experimenten.
Superkritisk koldioxid (scCO 2 ), är ett viktigt kommersiellt och industriellt lösningsmedel. Och det kan ersätta DMF i MOF-syntes.
Sinnwell är huvudförfattare till en studie som publicerades i våras i tidskriften ChemSusChem, som förespråkade användningen av scCO 2 i syntesen av MOF på grund av dess effektivitet som ett miljövänligt alternativ.
"Förkroppslig i principerna för grön kemi är behovet av att designa miljövänliga kemiska processer, som effektivt använder förnybara resurser, undvik giftiga och farliga reagenser, och minimera användningen av flyktiga kolvätelösningsmedel samtidigt som kemiska reaktioner utvecklas, " skriver Sinnwell i studien. "Faktiskt, en godartad mentalitet har motiverat antagandet av icke-konventionella lösningsmedelsalternativ för kemiska processer som kräver en "vätska."
Materialen som används och tillverkas i superkritisk koldioxid:zinkoxid och ZIF-8. Kredit:Pacific Northwest National Laboratory
En superlovande MOF-media
Motsvarande författare Sinnwell och Thallapally samlade ett team av experter över PNNL för att visa att scCO 2 är ett lovande medium för MOF-konstruktion.
Forskargruppen övervakade scCO 2 syntes av ZIF-8, en kommersiellt relevant MOF, i realtid. Specifikt, de använde in situ röntgendiffraktion, mikroskopi, och simuleringar för att ge en systematisk studie av kärnbildnings- och tillväxtprocesser. Forskarna utvärderade effekterna av offermallar, reaktionstid, densitet, och temperatur har på sammansättningen, storlek, och morfologi.
Fynden visar att mallmorfologi och reaktionstid, båda kontrollerbara faktorerna, påverka hierarkisk porositet och morfologi hos ZIF-8- och ZIF-8-kompositer. Sinnwell sa att resultaten ger en väg mot att konstruera riktade material med hjälp av metoder grundade i vetenskaplig teori och experiment. "Hållbara och ekonomiska metoder för att tillverka avancerade material är värda att eftersträva, " sade Sinnwell. "I denna tidning, vi såg – i realtid – den "gröna" bildningen av ett lovande adsorberande material i superkritisk CO 2 . Förhållanden som temperatur, storlek eller form på startkemikalier kan göra stor skillnad för slutprodukten."
