Le strutture metalliche organiche (MOF) sono una promettente classe di materiali che hanno molte applicazioni come catalizzatori, sensori e per lo stoccaggio del gas. Ampiamente studiato negli ultimi due decenni, I MOF sono in genere prodotti utilizzando processi chimici che richiedono calore elevato e alta pressione.

Ora, I chimici Joel Rosenthal ed Eric Bloch dell'Università del Delaware riferiscono che è possibile produrre materiali MOF a base di ferro direttamente utilizzando elettricità rinnovabile a temperatura ambiente.

Il metodo sviluppato da UD è efficiente al 96% nell'uso dell'elettricità per formare rapidamente i materiali MOF, affidabile ed economico. I ricercatori dell'UD hanno riportato l'anticipo in un nuovo articolo pubblicato su Scienze Centrali ACS .

Secondo Rosenthal, professore di chimica e biochimica nel College of Arts and Sciences di UD, un modo semplice per pensare ai MOF è immaginare giocattoli armeggiare, dove grappoli di atomi di metallo rappresentano le ruote di legno del giocattolo e piccole molecole organiche rappresentano i bastoncini sottili che collegano tra loro i grappoli.

Nel mezzo ci sono vuoti con un enorme potenziale per lo stoccaggio e la separazione di sostanze chimiche. Per esempio, una pila di materiale MOF delle dimensioni di un pisello ha una superficie interna delle dimensioni di due campi da calcio che può essere utilizzata per immagazzinare gas come metano o idrogeno, separa i gas e catalizza le reazioni. Possono anche essere usati come sensori.

"La qualità dei materiali che possiamo produrre è buona quanto ci si potrebbe aspettare dai migliori metodi termici, ma molto più scalabile e sostenibile, " disse Rosenthal, un esperto in elettrochimica. "La nostra scoperta è un importante passo avanti nel rendere i MOF un'opzione più pratica per molte applicazioni diverse".

L'elettricità guida la chimica

Una sfida che ha vincolato i MOF ai laboratori accademici è che realizzarli su larga scala è difficile e non particolarmente rispettoso dell'ambiente. Così, Rosenthal ha avuto l'idea di iniziare a usare l'elettricità per innescare la sintesi dei MOF. L'uso dell'elettricità consente di regolare facilmente la quantità di energia introdotta in un processo sintetico a temperatura ambiente, creando un modo più sicuro per realizzare MOF senza le alte temperature, alte pressioni e talvolta reagenti tossici normalmente utilizzati.

Guida fino ai piedi del Delaware Memorial Bridge e su entrambi i lati del Delaware e del New Jersey vedrai impianti chimici che sono ciascuno delle dimensioni di una piccola arena o di uno stadio. Queste piante ospitano alcuni reattori che eseguono una manciata di diverse reazioni chimiche per rendere le sostanze chimiche utili alla società.

"Per eseguire in modo efficiente molti processi termochimici su scala commerciale o merceologica generalmente sono necessarie queste grandi impronte e infrastrutture molto costose, ma l'elettrochimica fornisce un modo per infrangere queste regole, " ha detto Rosenthal. "Non è necessario costruire un gigantesco impianto elettrochimico per scalare in modo efficiente un metodo elettrochimico. L'elettrosintesi è spesso molto più versatile in termini di traduzione da un laboratorio accademico al mercato commerciale".

La chimica non è semplice come un bambino seduto in soggiorno che collega ruote e bastoni, anche se. I progressi nella sintesi MOF fino ad oggi sono stati limitati dalle combinazioni di metalli che possono essere utilizzati e dai tipi di materiali sintetici e organici che possono essere combinati utilizzando approcci termici.

Il documento si concentra in particolare sulla preparazione di materiali MOF utilizzando cluster di atomi di ferro. Rosenthal e Bloch non sono i primi a realizzare MOF in ferro. Tradizionalmente, Rosenthal ha spiegato, i ricercatori realizzano questi materiali prendendo un sale di ferro (3+), una molecola organica e un solvente relativamente costoso che si decompone in determinate condizioni di reazione e riscalda il tutto in un contenitore sigillato ad alta pressione per almeno un giorno, a volte più giorni, quindi aprilo e vedi cosa ottengono.

Al contrario, lui e Bloch iniziano con una soluzione contenente solvente, molecole organiche e ioni ferro (2+), che hanno un elettrone in più che cambia il modo in cui si comporta il ferro. I ricercatori utilizzano un elettrodo in carbonio o un tipo di vetro conduttore per far passare l'elettricità attraverso la soluzione e alternare la carica delle particelle metalliche nella soluzione da ferro (2+) a ferro (3+). è come un interruttore, rendendo il ferro più carico in modo che possa produrre il MOF in modo diretto ed efficiente, senza reazioni collaterali o effetti tipici dei metodi termochimici tradizionali.

"Poiché l'elettrodo prende elettroni dal ferro, quel ferro va e trova un linker organico e fa un po' di MOF. È efficiente quasi al 100%, in quanto ogni elettrone che muoviamo risulta nella sintesi MOF. Non ci sono reazioni collaterali o prodotti indesiderati, " disse Bloch, un assistente professore di chimica e biochimica specializzato in strutture metalliche organiche e materiali adsorbenti.

Ulteriore, se viene utilizzato il giusto tipo di elettrodo, è possibile fare di più che creare e collezionare il prodotto MOF. Il team di ricerca può far crescere il materiale direttamente sul substrato elettricamente conduttivo, un vantaggio che potrebbe consentire l'utilizzo dei MOF in vari dispositivi e supporti modellati, portando sensori MOF avanzati a portata di mano.

Rosenthal ha spiegato che per trasformare un MOF in un sensore è necessario un modo per interconnetterlo con un supporto elettricamente conduttivo per ottenere una lettura. Questo non è qualcosa che la comunità di ricerca aveva capito come fare bene, fino ad ora, Egli ha detto. La sintesi elettrochimica e la crescita del MOF sul supporto dell'elettrodo del team UD fornisce un modo per cablare il MOF per una migliore comunicazione tra i materiali.

Un modo in cui questa tecnologia potrebbe essere utilizzata è nei sensori in miniatura, magari nei telefoni cellulari per misurare la qualità dell'aria o per rilevare selettivamente le particelle nell'aria come parte delle misure di sicurezza negli aeroporti.

"Il rilevamento di gas e molecole ora può essere piuttosto semplice, simile al modo in cui funziona il rilevatore di fumo per rilevare un tipo di gas rispetto a un altro in base alla sua reattività, " disse Bloch.

La reazione elettrosintetica è veloce, pure, causando la formazione di polvere MOF nella soluzione in pochi minuti. E mentre i materiali che rimangono troppo a lungo in soluzione spesso si degradano con il tempo o diventano un materiale completamente diverso a causa di reazioni collaterali, I materiali MOF creati tramite elettrosintesi sono stabili e si depositano semplicemente sul fondo della fiala. Poiché il processo elettrosintetico viene effettuato a temperatura ambiente, la decomposizione materiale è molto meno preoccupante.

Più a lungo dura l'elettrolisi, maggiore è la quantità di materiale MOF che può essere travasato come prodotto. La semplicità del metodo lo rende versatile in termini di traduzione da un banco di laboratorio accademico al mercato commerciale, pure, hanno detto i ricercatori.

Studentessa laureata Anna Weaver, un coautore sulla carta, è arrivata all'UD solo quest'estate, ma Rosenthal ha detto di aver giocato un ruolo chiave nel dimostrare l'efficacia del metodo della squadra. Weaver ha condotto diversi esperimenti in fase avanzata che hanno fornito dati aggiuntivi per il documento.

"La capacità di Anna di dare contributi così rapidamente parla sia dei suoi talenti che della facilità con cui questa chimica può essere portata avanti. Non ci vuole imparare un'arte oscura per farlo funzionare, " Egli ha detto.

La chimica ad azionamento elettrico apre anche la porta all'esplorazione di materiali che si prevede abbiano proprietà eccellenti per MOF, come quelli a base di cobalto, ma rimangono sconosciuti perché sono incompatibili con le chimiche tradizionali che si affidano al calore per mettere in moto la reazione.

"Come catalizzatori, sappiamo che alcuni metalli sarebbero fenomenali come MOF, ma i metodi normali non funzionano. Pensiamo che questo sia un percorso per creare nuovi MOF che siano stabili e molto reattivi con proprietà totalmente diverse da quelle a cui siamo stati in grado di accedere prima, " disse Bloch.

Altri coautori del documento includono studenti laureati UD attuali o ex nei laboratori di Rosenthal e Bloch, compreso Wenbo Wu, Gerald E. Decker e Amanda Arnoff.