Metallorganiska ramverk (MOF) är en lovande materialklass som har många tillämpningar som katalysatorer, sensorer och för gaslagring. Mycket studerat under de senaste två decennierna, MOF produceras vanligtvis med kemiska processer som kräver hög värme och högt tryck.

Nu, Kemisterna vid University of Delaware Joel Rosenthal och Eric Bloch rapporterar att det är möjligt att producera järnbaserade MOF-material direkt med förnybar el vid rumstemperatur.

Den UD-utvecklade metoden är 96% effektiv för att använda el för att snabbt bilda MOF-material, pålitligt och billigt. UD -forskarna rapporterade framstegen i en ny artikel publicerad i ACS Central Science .

Enligt Rosenthal, professor i kemi och biokemi vid UD's College of Arts and Sciences, ett enkelt sätt att tänka på MOF är att föreställa sig tinkerleksaker, där kluster av metallatomer representerar leksakens trähjul och små organiska molekyler representerar de spetsiga pinnar som förbinder klusterna med varandra.

Däremellan finns tomrum med enorm potential för kemisk lagring och separationer. Till exempel, en hög med MOF -material på storlek av en ärt har en invändig ytarea som storlek på två fotbollsplaner som kan användas för att lagra gaser som metan eller väte, separera gaser och katalysera reaktioner. De kan till och med användas som sensorer.

"Kvaliteten på de material vi kan producera är lika bra som vad du kan förvänta dig av de bästa termiska metoderna, men mycket mer skalbar och hållbar, "sade Rosenthal, expert på elektrokemi. "Vår upptäckt är ett stort steg framåt för att göra MOF till ett mer praktiskt alternativ för många olika applikationer."

Elektricitet driver kemin

En utmaning som har begränsat MOF till akademiska laboratorier är att göra dem i stor skala är svårt och inte särskilt miljövänligt. Så, Rosenthal hade idén att börja använda el för att utlösa syntesen av MOF. Genom att använda el kan du enkelt justera mängden energi som introduceras i en syntetisk process vid rumstemperatur, skapa ett säkrare sätt att göra MOF utan höga temperaturer, högt tryck och ibland giftiga reagenser som normalt används.

Kör till foten av Delaware Memorial Bridge och på både Delaware och New Jersey -sidorna ser du kemianläggningar som var och en är lika stora som en liten arena eller stadion. Dessa anläggningar rymmer några reaktorer som gör en handfull olika kemiska reaktioner för att göra kemikalier användbara för samhället.

"För att effektivt utföra många termiska kemiska processer på kommersiella eller handelsvågar krävs i allmänhet dessa stora fotavtryck och mycket dyra infrastruktur, men elektrokemi ger ett sätt att bryta dessa regler, "sa Rosenthal." Du behöver inte bygga en gigantisk elektrokemisk anläggning för att effektivt skala upp en elektrokemisk metod. Elektrosyntes är ofta mycket mer mångsidig när det gäller översättning från ett akademiskt labb till den kommersiella marknaden. "

Kemin är inte så enkel som ett barn som sitter i vardagsrummet och förbinder hjul och pinnar, fastän. Framstegen inom MOF -syntes hittills har begränsats av kombinationer av metaller som kan användas och de typer av syntetiska och organiska material som kan kombineras med termiska metoder.

Papperet fokuserar specifikt på att förbereda MOF -material med hjälp av kluster av järnatomer. Rosenthal och Bloch är inte de första som tillverkar MOF av järn. Traditionellt, Rosenthal förklarade, forskare tillverkar dessa material genom att ta ett järnsalt (3+), en organisk molekyl och ett relativt dyrt lösningsmedel som sönderdelas under vissa reaktionsbetingelser och värmer upp allt i en försluten behållare vid högt tryck under minst ett dygn, ibland flera dagar, öppna sedan den och se vad de får.

Däremot, han och Bloch börjar med en lösning som innehåller lösningsmedel, organiska molekyler och järn (2+) joner, som har en extra elektron som förändrar hur järnet beter sig. Forskarna använder en elektrod gjord av antingen kol eller en typ av ledande glas för att leda elektricitet genom lösningen och växla laddningen av metallpartiklarna i lösningen från järn (2+) till järn (3+). Det är som en switch, gör järnet mer högladdat så att det kan producera MOF på ett sätt som är direkt och effektivt, utan biverkningar eller effekter typiska för traditionella termiska kemiska metoder.

"Eftersom elektroden tar elektroner från järn, att järn går och hittar en organisk länk och gör lite MOF. Det är nästan 100% effektivt, genom att varje elektron vi flyttar resulterar i MOF -syntes. Det finns inga biverkningar eller oönskade produkter, "sade Bloch, en biträdande professor i kemi och biokemi som specialiserat sig på metalliska organiska ramverk och adsorptiva material.

Ytterligare, om rätt typ av elektrod används, det är möjligt att göra mer än att skapa och samla MOF -produkten. Forskargruppen kan odla materialet direkt på det elektriskt ledande underlaget, en fördel som kan göra det möjligt att använda MOF i olika enheter och mönstrade stöd, vilket ger avancerade MOF -sensorer inom räckhåll.

Rosenthal förklarade att för att göra en MOF till en sensor behöver du ett sätt att ansluta den med ett elektriskt ledande stöd för att få en avläsning. Det här är inte något forskarsamhället hade räknat ut hur man gör bra, tills nu, han sa. Elektrokemiskt syntetisera och växa MOF på UD -teamets elektrodstöd ger ett sätt att ansluta MOF för bättre kommunikation mellan material.

Ett sätt denna teknik kan användas är i miniatyrsensorer, kanske i mobiltelefoner för att mäta luftkvaliteten eller för att selektivt upptäcka partiklar i luften som en del av säkerhetsåtgärder på flygplatser.

"Att känna av gaser och molekyler nu kan vara ganska rakt fram, på samma sätt som din rökdetektor fungerar för att känna av en typ av gas över en annan baserat på dess reaktivitet, sa Bloch.

Den elektrosyntetiska reaktionen är snabb, för, orsakar MOF -pulver att bildas i lösningen inom några minuter. Och medan material som sitter för länge i lösningen ofta försämras med tiden eller fortsätter att bli ett annat material helt på grund av sidoreaktioner, MOF -material som skapas via elektrosyntes är stabila och lägger sig helt enkelt på botten av injektionsflaskan. Eftersom den elektrosyntetiska processen utförs vid rumstemperatur, materialnedbrytning är mycket mindre oroande.

Ju längre elektrolysen går, ju större mängd MOF -material som kan sippras bort som en produkt. Metodens enkelhet gör den mångsidig när det gäller att översätta den från en akademisk labbänk till den kommersiella marknaden, för, sa forskarna.

Doktorand Anna Weaver, en medförfattare på tidningen, kom bara till UD i somras men Rosenthal sa att hon spelade en nyckelroll för att demonstrera effektiviteten i lagets metod. Weaver körde flera experiment i sent skede som gav ytterligare data för papperet.

"Annas förmåga att göra bidrag så snabbt talar både till hennes talanger och den lätthet som denna kemi kan utföras på. Det tar inte att lära sig en mörk konst för att få det att fungera, " han sa.

Elektriskt driven kemi öppnar också dörren för att utforska material som har förutsetts ha utmärkta egenskaper för MOF, som de baserade på kobolt, men förblir okända eftersom de är oförenliga med traditionella kemier som förlitar sig på värme för att sätta igång reaktionen.

"Som katalysatorer, vi vet att vissa metaller skulle vara fenomenala som MOF, men de vanliga metoderna fungerar inte. Vi tror att detta är en väg för att göra nya MOF som är stabila och mycket reaktiva med helt andra egenskaper än vi har kunnat komma åt tidigare, sa Bloch.

Andra medförfattare på tidningen inkluderar nuvarande eller tidigare UD-doktorander i Rosenthal's och Blochs laboratorier, inklusive Wenbo Wu, Gerald E. Decker och Amanda Arnoff.