MTCiting: Metaal-organische raamwerken (MOF's)

oktober 2025

De Nobelprijs voor de Scheikunde 2025 werd onlangs toegekend aan de professoren Robson, Yaghi en Kitagawa voor hun baanbrekende werk bij het ontwikkelen van metaal-organische raamwerk (MOF) moleculen. De exponentiële groei van het onderzoek naar deze moleculen wordt gedreven door hun potentiële scala aan toepassingen, waaronder die welke betrekking hebben op enkele van de meest urgente problemen waarmee de mensheid wordt geconfronteerd.

MOF's zijn kristallijne, poreuze materialen die worden gesynthetiseerd door metaalionen en organische moleculen te koppelen tot driedimensionale kaders. Deze raamwerken hebben extreem grote oppervlakken en poriegroottes die kunnen worden samengetrokken of uitgebreid via synthese op maat. Op deze manier verschillen ze van andere poreuze raamwerkmoleculen zoals zeolieten, die vaste poriegroottes hebben. Vanwege de flexibiliteit en functionalisering van MOF-moleculen kunnen ze nauwkeurig worden aangepast om te voldoen aan specifieke toepassingen op het gebied van gasopslag en -scheiding, katalyse, energieopslag, medicijnafgifte en ecologische duurzaamheid.

De analytische systemen van METTLER TOLEDO, waaronder in-situ FTIR- en Raman-spectroscopie, geautomatiseerde synthesewerkstations, in-situ kristallisatie-/beeldvormingsapparatuur en DSC/TGA, ondersteunen synthese - en kristallisatiestudies van MOF's en verwante organische raamwerkverbindingen. Toepassingen worden besproken in de volgende voorbeelden uit de onderstaande literatuur.

Procesopheldering en gevarenanalyse van de Metal-Organic Framework Scale-Up Synthesis

De HAZOP-held: MOF Thermal Runaway voorkomen

ReactIR - en RC1mx-metingen worden gebruikt om de kinetiek en warmteoverdracht bij de synthese, kristallisatie en opschaling van ZIF-8 MOF beter te begrijpen.

Er zijn een aantal methoden om MOF's te produceren, maar de meest praktische en controleerbare methode voor de industriële productie van MOF's is solvothermische synthese in reactoren. Reactietemperatuur is van cruciaal belang bij de MOF-synthese en beïnvloedt de verdeling van het oppervlak en de deeltjesgrootte. Om veilig op te schalen en de gewenste producteigenschappen te bereiken, is inzicht in temperatuur en warmteafgiftegedrag noodzakelijk.

In het onderzoek dat in dit artikel wordt beschreven, werd zeolietisch imidazolaat framework-8 (ZIF-8) als voorbeeld gebruikt om de synthese van MOF scale-up te bestuderen. Verschillende stadia van ZIF-8-vorming bij kamertemperatuur, waaronder nucleatie, groei en stationair, werden onderzocht met behulp van in-situ FTIR om de evolutie van de 2-methylimidazoolconcentratie in de loop van de tijd te identificeren. De gegevens van deze experimenten werden vervolgens gebruikt in de Avrami-vergelijking, die beschrijft hoe vaste stoffen bij constante temperatuur van de ene fase naar de andere transformeren, om de reactiekinetiek te correleren op basis van de verkregen concentratieresultaten. Uit deze experimenten werd vastgesteld dat de constante van Avrami voor ZIF-8-kristallisatie varieert met het reactorvolume. De FTIR-experimenten werden uitgevoerd in een RC1e-reactorsysteem, dat gelijktijdige identificatie van de reactietemperatuur en het gedrag van warmteafgifte mogelijk maakte. Deze metingen maakten het mogelijk om inconsistente producteigenschappen van thermische runaway te vermijden bij het opschalen van de ZIF-8-productie van de milliliter- naar literschaal. Bovendien werd voor elke synthesestap een volledige HAZOP-analyse uitgevoerd om het effect van afwijkingen te onderzoeken en een veilige werking in productiefaciliteiten te garanderen.

Quan, Y., Parker, TF, Hua, Y., Jeong, H., & Wang, Q. (2023). Procesopheldering en gevarenanalyse van de Metal-Organic Framework Scale-Up Synthesis: een casestudy van ZIF-8. Industrieel en technisch chemisch onderzoek, 62 (12), 5035-5041. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c04570

Metaalafhankelijke en selectieve kristallisatie van CAU-10- en MIL-53-frameworks door middel van linkernitratie

Metaalafhankelijke MOF-chaos

ReactIR-metingen worden gebruikt om aan te tonen dat de linkermoleculen genitreerd zijn voorafgaand aan de vorming van het MOF-raamwerk en de structuur kunnen beïnvloeden.

MOF's zijn opgebouwd uit anorganische (metaalionen of metaal-zuurstofclusters) en organische bouweenheden (liganden of linkers). In het werk dat in dit artikel wordt beschreven, ontdekten de onderzoekers dat de reactie van het V-vormige linkermolecuul 5-hydroxyisoftaalzuur (H₂L⁰) met Al (NO₃)₃ en Ga(NO₃)₃ als reactanten resulteerde in nitratie van de linker met verbindingen van samenstelling [Al (OH) (C₈H_2.08O₅ (NO₂) _0.92)] en [Ga (OH) (C₈H₂O₃ (NO₂)] kristalliserend in respectievelijk de structuur van het type CAU-10 en MIL-53. De Al-MOF bevat de originele linker L⁰ en drie verschillende nitratieproducten (L², L⁴ en L^4/6), terwijl de Ga-MOF voornamelijk de linker L² bevat. In-situ en ex-situ studies werden uitgevoerd om de nitratie en kristallisatie te volgen, evenals de samenstelling van de MOF's.

Bovendien merkten zij op dat, aangezien genitreerde linkers in de uiteindelijke reactieproducten worden aangetroffen, in-situ nitratie van de linker H₂L⁰ moet plaatsvinden. Om deze waarneming voor beide MOF's te bevestigen, werden ReactIR-metingen en lichtverstrooiingsmetingen uitgevoerd. Ze stelden vast dat de nitratie van de ligand H₂L⁰ plaatsvindt voorafgaand aan de vorming van het raamwerk door het verschijnen van een band op 1550 ^cm-1 na 5 minuten die wordt toegewezen aan de antisymmetrische rektrilling van de aromatische nitrogroep. Deze nitroband neemt toe met de reactietijd en na 30 minuten wordt ook de trillingsband van de antisymmetrische rektrilling van de carboxylaatgroep zichtbaar. Op dit moment geeft het Faraday-Tyndall-effect van colloïdale deeltjes in oplossing het begin van de productvorming aan.

Rabe, T., Druif, E. S., Engesser, T. A., Inge, A. K., Ströh, J., Kohlmeyer-Yilmaz, G., Wahiduzzaman, M., Maurin, G., Sönnichsen, F. D., & Stock, N. (2021). Metaalafhankelijke en selectieve kristallisatie van CAU-10- en MIL-53-kaders door middel van linkernitratie. Scheikunde - een Europees tijdschrift, 27(28), 7696-7703. https://doi.org/10.1002/chem.202100373

Polyoxometalaten van het Keggin-type, moleculair geladen in nanovellen met een Zr-ferroceen metaal, organisch raamwerk voor door zonne-energie aangedreven CO2-cycloadditie

Het geval van het ontbrekende polymeer: ReactIR vangt het tussenproduct op dat het MOF-mechanisme bewijst

ReactIR-metingen van een hybride zonne-energie aangedreven MOF voor CO₂ cycloadditie bieden belangrijk inzicht en ondersteuning voor een voorgesteld reactiemechanisme.

Vanwege hun unieke structurele en chemische eigenschappen zijn MOF's veelbelovende kandidaten voor CO₂ -cycloadditie door middel van door zonne-energie aangedreven katalytische reductie van CO₂ . De auteurs merken op dat het ontwerpen van een MOF zowel een goede lichtoogst als een uitstekende katalytische activiteit heeft voor CO₂ -cycloadditie en dat een mogelijke benadering is om katalysator te versieren in fotothermische MOF's of fotothermische componenten op te nemen in katalytische MOF's. Met dit in gedachten ontwikkelden ze een hybride door zonne-energie aangedreven katalysator door typische POM's, PMo₁₂ (fosfomolybdaat, PMo₁₂O_40-3), te decoreren tot fotothermische Zr-Fc (Ferroceen) MOF's nanosheets voor CO₂ cycloadditiereacties. De resulterende structuur, POMs@Zr-Fc MOF's, vertoonde hoge door zonne-energie aangedreven katalytische prestaties voor CO₂ cycloadditie. De katalysator heeft zowel de uitstekende stabiliteit en fotothermische eigenschap van Zr-Fc MOF als vele actieve plaatsen van PMo₁₂ voor een zeer efficiënte katalysator in CO₂ cycloadditie.

Om meer inzicht te krijgen in het cycloadditiemechanisme werd de reactie van CO₂ en styreenoxide in aanwezigheid van POMs@Zr-Fc MOF en co-katalysator tetrabutylammoniumbromide onder kunstmatig zonlicht om styreencarbonaat te produceren gemonitord door middel van in-situ FTIR-spectroscopie bij 80 °C en omgevingsdruk. Een piek die voortkwam uit het cyclische carbonaat op 1801 ^cm-1 werd intenser naarmate de reactie vorderde, evenals een piek op 1815 ^cm-1 die werd toegewezen aan een Br-styreenoxide-tussenproduct. Opgemerkt werd dat de 1815 ^cm-1 piek van het tussenproduct verscheen vóór de 1801 ^cm-1 productpiek. Bovendien was er geen bewijs van de vorming van polymeercarbonaat, zoals blijkt uit de afwezigheid van een piek van 1760 ^cm-1 . Op basis van deze informatie werd een plausibel reactiemechanisme voorgesteld.

Fang, Z., Deng, Z., Wan, X., Li, Z., Ma, X., Hussain, S., Ye, Z., & Peng, X. (2021). Polyoxometalaten van het Keggin-type, moleculair geladen in nanovellen met Zr-ferroceenmetaal, organisch raamwerk voor door zonne-energie aangedreven CO₂ -cycloadditie. Toegepaste katalyse B Milieu en Energie, 296, 120329. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120329

MOF's, COF's en MCOF's

Naast MOF's zijn er andere klassen van aanpasbare, hoge porositeit en organische raamwerkmoleculen met een hoog oppervlak. Deze omvatten niet-metalen, covalente organische raamwerken (COF's) met covalente bindingen tussen organische bouwstenen en metaalcovalente organische raamwerken (MCOF's) waarin metaalsoorten zijn geïntegreerd in een covalent organisch raamwerk dat leidt tot COF-covalente connectiviteit met metaalfunctionaliteit. Deze verbindingen hebben een uitzonderlijk scala aan toepassingen in katalyse, elektro-optica, gasopslag enz. Het volgende voorbeeld is van een nieuwe MCOF-gekatalyseerde reactie:

ReactIR-metingen op een Ru-gebaseerde MCOF-katalysator bieden inzicht en ondersteuning voor het voorgestelde tandem heterogene reactiemechanisme.

Een op rutheniumporfyrine gebaseerde covalente organische raamwerk (Ru-COF-1) katalysator werd gesynthetiseerd en gekarakteriseerd. De katalysator activeert de C-H-binding van cumeen om in situ alkylperoxide te genereren en is gekoppeld aan een stroomafwaartse lucht (O₂) epoxidatie van olefinen. Dit is een heterogene tandembenadering, die een intermediaire/reactieve soort genereert die de selectieve epoxidatie oplevert. Het carbonyl-ruthenium COF (Ru-COF-1) levert uitstekende prestaties, met 98% epoxideselectiviteit voor 1-hexeen. De onderzoekers stellen dat de superieure prestaties, in vergelijking met Ru-porfyrinen en metaalvrije COF's, het gevolg zijn van de aanwezigheid van het Ru-metaal. Ze stelden vast dat de poreuze structuur helpt bij de zuurstofverrijking, waarbij actieve peroxyradicalen worden gevormd, waarbij de cumeenkoolstofgecentreerde radicalen op het katalysatoroppervlak worden gevormd. Ru-H-plaatsen versnellen vervolgens de actieve zuurstofoverdracht van peroxyradicalen, waardoor olefine-tandemepoxidatie mogelijk wordt. Het voorgestelde reactiemechanisme werd ondersteund door DFT-berekeningen.

Om het reactieproces beter te begrijpen, werd in-situ IR-spectroscopie gebruikt om de veranderingen van functionele groepen tijdens de epoxidatie vast te leggen. Uit de gegevens merkten ze op dat de karakteristieke pieken van cumeen afnamen naarmate de reactie vorderde, en aanvullende in-situ FTIR-experimenten toonden aan dat de epoxidatiereactie bijna gelijktijdig met het evenwicht van cumeenconversie bereikte. Hieruit concludeerden ze dat cumeen functioneert als een bemiddelaar voor zuurstofoverdracht, wat een extra validatie biedt voor hun voorgestelde reactiemechanisme.

Li, D., Xiong, C., Mao, Q., Xi, L., Yang, T., Hu, P., & Ji, H. (2025). Stimuleren van de overdracht van cumeenwaterstof via een op Ru gebaseerd porfyrine covalent organisch raamwerk voor tandem luchtepoxidatie van olefinen. Nano-onderzoek. https://doi.org/10.26599/nr.2025.94907892

Aanvullende voorbeelden van MOF R&D-toepassingen

Computationele en experimentele tools van de volgende generatie voor het begrijpen van nucleatie en groei van metaal-organisch raamwerk

Dit artikel bespreekt de huidige technieken voor het bestuderen van MOF-kinetiek en hoe verbeterde data-acquisitie en multischaalbenaderingen schaalbare toepassingen kunnen bevorderen. In-situ FTIR, Raman-spectroscopie en FBRM behoren tot de besproken methoden .

Bhawnani, R. R., Barreto, O. M., Podupu, P. K. R., Colón, Y., Giri, G., & Singh, M. R. (2025). Computationele en experimentele tools van de volgende generatie voor het begrijpen van nucleatie en groei van metaal-organische kaders. ACS-materiaalbrieven, 906-927. https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c02600

Eenpotomzetting van glucose in 5-hydroxymethylfurfural met behulp van MOF's en Brønsted-Acid tandemkatalysatoren

Katalysatortesten voor de omzetting van glucose in HMF in één pot werden uitgevoerd bij verschillende temperaturen onder roeren in een EasyMax-synthesewerkstation dat was uitgerust met een geroerde tankreactor met glas onder druk.

Lara-Serrano, M., Morales-delaRosa, S., Campos-Martin, J. M., Abdelkader-Fernández, V. K., Cunha-Silva, L., & Balula, S. S. (2022). Eenpotomzetting van glucose in 5-hydroxymethylfurfural met behulp van MOF's en Brønsted-zure tandemkatalysatoren. Geavanceerde duurzame systemen, 6(5). https://doi.org/10.1002/adsu.202100444

Isomerisatie van glucose tot fructose gekatalyseerd door metaal-organische kaders

De isomerisatiereactie van glucose tot fructose werd bestudeerd met behulp van vijf geselecteerde metaal-organische frameworks (MOF's) als katalysatoren en een mengsel van γ-valerolacton en 10% H₂O als oplosmiddel. Het testen van de katalysatoren werd uitgevoerd in een EasyMax-synthesewerkstation .

Lara-Serrano, M., Morales-delaRosa, S., Campos-Martin, J. M., Abdelkader-Fernández, V. K., Cunha-Silva, L., & Balula, S. S. (2021). Isomerisatie van glucose tot fructose gekatalyseerd door metaal-organische kaders. Duurzame energie en brandstoffen, 5 (15), 3847-3857. https://doi.org/10.1039/d1se00771h

In-situ IR-monitoring om de vorming van structurele defecten in het Zr-fumaraat metaal-organisch raamwerk (MOF) te onderzoeken

ReactIR monitort het kristallisatieproces van Zr-fumaraat (Zr-fum) MOF in zowel H₂O- als DMF-gebaseerde systemen. In een DMF-gebaseerd systeem werd waargenomen dat de zuurmodulator (HCOOH) werd verbruikt, terwijl het H₂O-gebaseerde systeem anders aantoonde. Deze waarneming dient om de deelname van mierenzuur tijdens de structurele vorming van Zr-fum MOF gesynthetiseerd in DMF te bevestigen, en de aanwezigheid van het oplosmiddel als de oorsprong van structurele defecten.

Ren, J., Musyoka, NM, Langmi, HW, Walker, J., Mathe, M., & Liao, S. (2018). In-situ IR-monitoring om de vorming van structurele defecten in Zr-fumaraat metaal-organisch raamwerk (MOF) te onderzoeken. Veelvlak, 153, 205-212. https://doi.org/10.1016/j.poly.2018.07.026

Technologie die wordt gebruikt bij de studie van MOF's

Gerelateerde #MTCiting verhalen

Dit verhaal maakte deel uit van de AutoChem #MTCiting-serie van METTLER TOLEDO. In deze serie duiken we in het meest recente gepubliceerde onderzoek naar innovatieve toepassingen in onderzoek en ontwikkeling.

Bekijk andere #MTCiting verhalen waarin we baanbrekend onderzoek onderzoeken dat de procesveiligheid en efficiëntie verbetert en bijdraagt aan duurzaamheid in de chemische productie.

Voorgestelde zoekopdrachten

MTCiting: Metaal-organische raamwerken (MOF's)

oktober 2025

De HAZOP-held: MOF Thermal Runaway voorkomen

Metaalafhankelijke MOF-chaos

Het geval van het ontbrekende polymeer: ReactIR vangt het tussenproduct op dat het MOF-mechanisme bewijst

MOF's, COF's en MCOF's

Aanvullende voorbeelden van MOF R&D-toepassingen

Computationele en experimentele tools van de volgende generatie voor het begrijpen van nucleatie en groei van metaal-organisch raamwerk

Eenpotomzetting van glucose in 5-hydroxymethylfurfural met behulp van MOF's en Brønsted-Acid tandemkatalysatoren

Isomerisatie van glucose tot fructose gekatalyseerd door metaal-organische kaders

In-situ IR-monitoring om de vorming van structurele defecten in het Zr-fumaraat metaal-organisch raamwerk (MOF) te onderzoeken

Technologie die wordt gebruikt bij de studie van MOF's

ReactIR

ReagerenRaman

RC1 and EasyMax

EasyViewer met iC Vision

ParticleTrack G400

Gerelateerde #MTCiting verhalen

Offerte of informatie aanvragenOntvang een offerteDirecte offerteIk evalueer een oplossingRequest Online Demo