MTCiting: Metal-organiske rammer (MOF'er)

oktober 2025

Nobelprisen i kemi 2025 blev for nylig tildelt professorerne Robson, Yaghi og Kitagawa for deres skelsættende arbejde med at udvikle metal-organiske rammer (MOF) molekyler. Den eksponentielle vækst i forskning i disse molekyler er drevet af deres potentielle anvendelsesområde, herunder dem, der adresserer nogle af de mest presserende problemer, som menneskeheden står over for.

MOF'er er krystallinske, porøse materialer, der syntetiseres ved at forbinde metalioner og organiske molekyler til tredimensionelle rammer. Disse rammer har ekstremt høje overfladearealer samt porestørrelser, der kan trækkes sammen eller udvides via tilpasset syntese. På denne måde adskiller de sig fra andre porøse rammemolekyler såsom zeolitter, der har faste porestørrelser. På grund af MOF-molekylernes fleksibilitet og funktionalisering kan de præcist modificeres til at imødekomme specifikke anvendelser inden for gaslagring og -separation, katalyse, energilagring, lægemiddellevering og miljømæssig bæredygtighed.

METTLER TOLEDOs analytiske systemer, herunder in-situ FTIR- og Raman-spektroskopi, automatiserede syntesearbejdsstationer, in-situ krystalliserings-/billeddannelsesenheder og DSC/TGA, understøtter syntese - og krystallisationsundersøgelser af MOF'er og relaterede organiske rammeforbindelser. Anvendelser diskuteres i følgende eksempler fra litteraturen nedenfor.

Procesbelysning og risikoanalyse af Metal-Organic Framework Scale-Up Synthesis

HAZOP-helten: Forhindrer MOF termisk løb

ReactIR - og RC1mx-målinger bruges til bedre at forstå kinetik og varmeoverførsel i syntese, krystallisation og opskalering af ZIF-8 MOF.

Der findes en række metoder til fremstilling af MOF'er, men den mest praktiske og kontrollerbare metode til industriel produktion af MOF'er er solvotermisk syntese i reaktorer. Reaktionstemperatur er kritisk i MOF-syntese og påvirker overfladeareal og partikelstørrelsesfordeling. For sikkert at skalere op og opnå de ønskede produktegenskaber er det nødvendigt at forstå temperatur- og varmeafgivelsesadfærd.

I den forskning, der er beskrevet i denne artikel, blev zeolitisk imidazolat framework-8 (ZIF-8) brugt som et eksempel til at studere MOF-opskaleringssyntese. Forskellige stadier af ZIF-8-dannelse ved stuetemperatur, herunder kimdannelse, vækst og stationær, blev undersøgt ved hjælp af in-situ FTIR for at identificere 2-methylimidazolkoncentrationsudviklingen over tid. Dataene fra disse eksperimenter blev derefter brugt i Avrami-ligningen, som beskriver, hvordan faste stoffer transformeres fra en fase til en anden ved konstant temperatur, for at korrelere reaktionskinetik baseret på de opnåede koncentrationsresultater. Ud fra disse eksperimenter blev det bestemt, at Avramis konstant for ZIF-8-krystallisation varierer med reaktorvolumenet. FTIR-eksperimenterne blev udført i et RC1e-reaktorsystem, hvilket lettede samtidig identifikation af reaktionstemperaturen og varmeafgivelsesadfærden. Disse målinger gjorde det muligt at undgå inkonsekvente produktegenskaber fra termisk løb ved opskalering af ZIF-8-produktionen fra milliliter til literskala. Desuden blev der udført en fuld HAZOP-analyse for hvert syntesetrin for at undersøge effekten af afvigelser og for at sikre sikker drift i produktionsfaciliteter.

Quan, Y., Parker, T. F., Hua, Y., Jeong, H., & Wang, Q. (2023). Procesbelysning og fareanalyse af Metal-Organic Framework Scale-Up Synthesis: Et casestudie af ZIF-8. Industriel og teknisk kemiforskning, 62(12), 5035-5041. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c04570

Metalafhængig og selektiv krystallisation af CAU-10 og MIL-53-rammer gennem linkernitrering

Metalafhængig MOF-kaos

ReactIR-målinger bruges til at vise, at linkermolekylerne er nitreret før MOF-rammedannelsen og kan påvirke strukturen.

MOF'er er konstrueret af uorganiske (metalioner eller metal-iltklynger) og organiske bygningsenheder (ligander eller linkere). I det arbejde, der er beskrevet i denne artikel, fandt forskerne, at reaktionen af det V-formede linkermolekyle 5-hydroxyisophthalsyre (H₂L⁰) med Al(NO₃)₃ og Ga(NO₃)₃ som reaktanter resulterede i nitrering af linkeren med forbindelser med sammensætning [Al(OH)(C₈H_2,08O₅(NO₂)_0,92)] og [Ga(OH)(C₈H₂O₃ (NO₂)] krystalliserer i henholdsvis CAU-10 og MIL-53 strukturen. Al-MOF indeholder den originale linker L⁰ samt tre forskellige nitreringsprodukter (L², L⁴ og L^4/6), mens Ga-MOF hovedsageligt inkorporerer linkeren L². In-situ og ex-situ undersøgelser blev udført for at følge nitrering og krystallisation samt sammensætningen af MOF'erne.

De bemærkede endvidere, at eftersom der findes nitrerede linkere i de endelige reaktionsprodukter, skal in situ-nitrering af linkeren H₂L⁰ finde sted. For at bekræfte denne observation for begge MOF'er blev der udført ReactIR-målinger og lysspredningsmålinger. De fastslog, at nitreringen af liganden H₂L⁰ sker før dannelsen af rammen ved udseendet af et bånd ved 1550 ^cm-1 efter 5 minutter, som er tildelt den antisymmetriske strækvibration af den aromatiske nitrogruppe. Dette nitrobånd øges med reaktionstiden, og efter 30 minutter bliver vibrationsbåndet for den antisymmetriske strækvibration af carboxylatgruppen også synligt. På dette tidspunkt indikerer Faraday-Tyndall-effekten fra kolloide partikler i opløsning starten på produktdannelsen.

Rabe, T., Grape, E. S., Engesser, T. A., Inge, A. K., Ströh, J., Kohlmeyer-Yilmaz, G., Wahiduzzaman, M., Maurin, G., Sönnichsen, F. D., & Stock, N. (2021). Metalafhængig og selektiv krystallisation af CAU-10 og MIL-53-rammer gennem linkernitrering. Kemi - et europæisk tidsskrift, 27(28), 7696-7703. https://doi.org/10.1002/chem.202100373

Polyoxometalater af Keggin-typen, der er molekylært indlæst i organisk ramme af Zr-ferrocen metal, nanoark til soldrevet CO2-cykloaddition

Tilfældet med den manglende polymer: ReactIR fanger det mellemprodukt, der beviser MOF-mekanismen

ReactIR-målinger af en hybrid soldrevet MOF for CO₂ cycloaddition giver vigtig indsigt og støtte til en foreslået reaktionsmekanisme.

På grund af deres unikke strukturelle og kemiske egenskaber er MOF'er lovende kandidater til CO₂ cycloaddition gennem soldrevet katalytisk reduktion af CO_{2 .} Forfatterne kommenterer, at design af en MOF har både god lyshøst og fremragende katalytisk aktivitet for CO₂ cykloaddition er ret udfordrende, og at en mulig tilgang er at dekorere katalysator til fototermiske MOF'er eller inkorporere fototermiske komponenter i katalytiske MOF'er. Med dette i tankerne udviklede de en hybrid soldrevet katalysator ved at dekorere en typisk POP'er, PMo₁₂ (phosphomolybdat, PMo₁₂O_40-3), til fototermiske Zr-Fc (ferrocæn) MOF'er nanoark til CO₂ cykloadditionsreaktioner. Den resulterende struktur, POMs@Zr-Fc MOF'er, demonstrerede høj soldrevet katalytisk ydeevne for CO₂ -cykloaddition. Katalysatoren har både den fremragende stabilitet og fototermiske egenskab af Zr-Fc MOF og mange aktive steder af PMo₁₂ for en meget effektiv katalysator i CO₂ cykloaddition.

For at få yderligere indsigt i cykloadditionsmekanismen blev reaktionen af CO₂ og styrenoxid i nærvær af POMs@Zr-Fc MOF og co-katalysator tetra butylammoniumbromid under kunstigt sollys for at producere styrencarbonat overvåget ved in-situ FTIR-spektroskopi ved 80 °C og omgivende tryk. En top, der opstod fra det cykliske carbonat ved 1801 ^cm-1 , blev intensiveret, efterhånden som reaktionen skred frem, og det samme gjorde en top ved 1815 ^cm-1 tildelt et Br-styrenoxidmellemprodukt. Det blev bemærket, at 1815 ^cm-1 toppen af mellemproduktet dukkede op før 1801 ^cm-1 produkttoppen. Desuden var der ingen tegn på dannelse af polymercarbonat, hvilket indikeres af fraværet af en 1760 ^cm-1 top. Ud fra disse oplysninger blev en plausibel reaktionsmekanisme foreslået.

Fang, Z., Deng, Z., Wan, X., Li, Z., Ma, X., Hussain, S., Ye, Z., & Peng, X. (2021). Keggin-type polyoxometalater molekylært indlæst i Zr-ferrocen metal organisk ramme nanoark til soldrevet CO₂ -cykloaddition. Anvendt katalyse B Miljø og energi, 296, 120329. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120329

MOF'er, COF'er og MCOF'er

Ud over MOF'er er der andre klasser af tilpasselige, organiske rammemolekyler med høj porøsitet og højt overfladeareal. Disse omfatter ikke-metalliske, kovalente organiske rammer (COF'er), der har kovalente bindinger mellem organiske byggesten og metalkovalente organiske rammer (MCOF'er), der har metalarter integreret i en kovalent organisk ramme, der fører til COF-kovalent forbindelse med metalfunktionalitet. Disse forbindelser har en enestående vifte af anvendelser inden for katalyse, elektrooptik, gaslagring osv. Følgende eksempel er på en ny MCOF-katalyseret reaktion:

ReactIR-målinger på en Ru-baseret MCOF-katalysator giver indsigt og støtte til den foreslåede tandem-heterogene reaktionsmekanisme.

En ruthenium-porphyrin-baseret kovalent organisk ramme (Ru-COF-1) katalysator blev syntetiseret og karakteriseret. Katalysatoren aktiverer C-H-bindingen af cumen for at generere alkylperoxid in situ og er koblet til en nedstrøms luft (O₂) epoxidation af olefiner. Dette er en heterogen tandemtilgang, som genererer en mellemliggende/reaktiv art, der giver den selektive epoxidation. Carbonyl-ruthenium COF (Ru-COF-1) rapporteres at have fremragende ydeevne med 98% epoxidselektivitet for 1-hexen. Forskerne oplyser, at den overlegne ydeevne sammenlignet med Ru-porfyriner og metalfrie COF'er skyldes tilstedeværelsen af Ru-metallet. De fastslog, at den porøse struktur hjælper iltberigelse og danner aktive peroxyradikaler, med de cumen-kulstofcentrerede radikaler dannet på katalysatoroverfladen. Ru-H-steder acceler derefter aktiv iltoverførsel fra peroxyradikaler, hvilket muliggør olefintandemepoxidation. Den foreslåede reaktionsmekanisme blev understøttet af DFT-beregninger.

For at hjælpe med at forstå reaktionsprocessen blev in-situ IR-spektroskopi brugt til at registrere ændringerne i funktionelle grupper under epoxidationen. Fra dataene bemærkede de, at de karakteristiske toppe af cumen faldt, efterhånden som reaktionen fortsatte, og yderligere in-situ FTIR-eksperimenter viste, at epoxidationsreaktionen næsten nåede ligevægt samtidig med ligevægten af cumenkonvertering. Ud fra dette konkluderede de, at cumen fungerer som en iltoverførselsmediator, hvilket giver yderligere validering af deres foreslåede reaktionsmekanisme.

Li, D., Xiong, C., Mao, Q., Xi, L., Yang, T., Hu, P., & Ji, H. (2025). Forøgelse af cumenhydrogenoverførsel via en Ru-baseret porfyrin kovalent organisk ramme til tandemluftepoxidation af olefiner. Nano forskning. https://doi.org/10.26599/nr.2025.94907892

Yderligere eksempler på MOF R&D-applikationer

Næste generations beregnings- og eksperimentelle værktøjer til forståelse af kimdannelse og vækst af metal-organisk ramme

Denne artikel diskuterer nuværende teknikker til at studere MOF-kinetik, og hvordan forbedret dataindsamling og multiskala-tilgange kan fremme skalerbare applikationer.

Bhawnani, R. R., Barreto, O. M., Podupu, P. K. R., Colón, Y., Giri, G., & Singh, M. R. (2025). Næste generations beregnings- og eksperimentelle værktøjer til forståelse af kimdannelse og vækst af metal-organiske rammer. ACS Materials Letters, 906-927. https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c02600

One-pot omdannelse af glukose til 5‐hydroxymethylfurfural ved hjælp af MOF'er og Brønsted‐Acid tandemkatalysatorer

Katalysatortest til en-potte-omdannelse af glukose til HMF blev udført ved forskellige temperaturer under omrøring i en EasyMax-syntesearbejdsstation udstyret med en tryksat glasomrørt tankreaktor .

Lara‐Serrano, M., Morales‐delaRosa, S., Campos‐Martin, J. M., Abdelkader‐Fernández, V. K., Cunha‐Silva, L., & Balula, S. S. (2022). One-Pot Conversion of Glucose til 5‐Hydroxymethylfurfural ved hjælp af MOF'er og Brønsted‐Acid Tandem Catalysts. Advanced Sustainable Systems, 6(5). https://doi.org/10.1002/adsu.202100444

Isomerisering af glukose til fruktose katalyseret af metal-organiske rammer

Isomeriseringsreaktionen af glukose til fruktose blev undersøgt ved hjælp af fem udvalgte metal-organiske rammer (MOF'er) som katalysatorer og en blanding af γ-valerolacton og 10% H₂O som opløsningsmiddel. Test af katalysatorerne blev udført i en EasyMax syntesearbejdsstation.

Lara-Serrano, M., Morales-delaRosa, S., Campos-Martin, J. M., Abdelkader-Fernández, V. K., Cunha-Silva, L., & Balula, S. S. (2021). Isomerisering af glukose til fruktose katalyseret af metal-organiske rammer. Sustainable Energy & Fuels, 5(15), 3847-3857. https://doi.org/10.1039/d1se00771h

In-situ IR-overvågning for at undersøge dannelsen af strukturelle defekter i Zr-fumarat metal-organisk ramme (MOF)

ReactIR overvåger krystallisationsprocessen af Zr-fumarat (Zr-fum) MOF i både H₂O- og DMF-baserede systemer, mens det H₂O-baserede system viste noget andet. Denne observation tjener til at bekræfte myresyres deltagelse under den strukturelle dannelse af Zr-fum MOF syntetiseret i DMF og tilstedeværelsen af opløsningsmidlet som oprindelsen til strukturelle defekter.

Ren, J., Musyoka, N. M., Langmi, H. W., Walker, J., Mathe, M., & Liao, S. (2018). In-situ IR-overvågning for at undersøge dannelsen af strukturelle defekter i Zr-fumarat metal-organisk ramme (MOF). Polyeder, 153, 205-212. https://doi.org/10.1016/j.poly.2018.07.026

Teknologi, der bruges til studiet af MOF'er

Relaterede #MTCiting historier

Denne historie var en del af METTLER TOLEDO AutoChem #MTCiting-serien. I denne serie dykker vi ned i den seneste publicerede forskning om innovative anvendelser inden for forskning og udvikling.

Se andre #MTCiting historier, hvor vi undersøger banebrydende forskning, der forbedrer processikkerhed og effektivitet og bidrager til bæredygtighed i kemisk produktion.

Søgeforslag

MTCiting: Metal-organiske rammer (MOF'er)

oktober 2025

HAZOP-helten: Forhindrer MOF termisk løb

Metalafhængig MOF-kaos

Tilfældet med den manglende polymer: ReactIR fanger det mellemprodukt, der beviser MOF-mekanismen

MOF'er, COF'er og MCOF'er

Yderligere eksempler på MOF R&D-applikationer

Næste generations beregnings- og eksperimentelle værktøjer til forståelse af kimdannelse og vækst af metal-organisk ramme

One-pot omdannelse af glukose til 5‐hydroxymethylfurfural ved hjælp af MOF'er og Brønsted‐Acid tandemkatalysatorer

Isomerisering af glukose til fruktose katalyseret af metal-organiske rammer

In-situ IR-overvågning for at undersøge dannelsen af strukturelle defekter i Zr-fumarat metal-organisk ramme (MOF)

Teknologi, der bruges til studiet af MOF'er

ReactIR

ReactRaman

RC1 and EasyMax

EasyViewer med iC Vision

ParticleTrack G400

Relaterede #MTCiting historier

Anmod om tilbud eller informationFå et tilbudØjeblikkeligt tilbudLøsningsoplysningerRequest Online Demo