MTCiting: الأطر المعدنية العضوية (MOFs)

أكتوبر 2025

منحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2025 مؤخرا للأساتذة روبسون وياغي وكيتاغاوا لعملهم الأساسي في تطوير جزيئات الإطار المعدني العضوي (MOF). النمو المتسارع للبحث في هذه الجزيئات مدفوع بمجموعة تطبيقاتها المحتملة بما في ذلك تلك التي تعالج بعض القضايا الأكثر إلحاحا التي تواجه البشرية.

MOFs عبارة عن مواد بلورية مسامية يتم تصنيعها عن طريق ربط أيونات المعادن والجزيئات العضوية في أطر ثلاثية الأبعاد. تحتوي هذه الأطر على مساحات سطحية عالية للغاية بالإضافة إلى أحجام مسام يمكن تقليصها أو توسيعها عبر التوليف المخصص. وبهذه الطريقة ، فهي تختلف عن جزيئات الإطار المسامي الأخرى مثل الزيوليت ، التي لها أحجام مسام ثابتة. نظرا لمرونة جزيئات MOF ووظيفتها ، يمكن تعديلها بدقة لتلبية تطبيقات محددة في تخزين الغاز وفصله ، والتحفيز ، وتخزين الطاقة ، وتوصيل الأدوية ، والاستدامة البيئية.

تدعم الأنظمة التحليلية من METTLER TOLEDO، بما في ذلك FTIR في الموقع والتحليل الطيفي Raman ومحطات عمل التوليف الآلي وأجهزة التبلور/التصوير في الموقع وDSC/TGA، دراسات التوليف والتبلور لأطر الأطر العضوية المتعددة الاتجاهات ومركبات الإطار العضوية ذات الصلة. تتم مناقشة الطلبات في الأمثلة التالية من الأدبيات أدناه.

توضيح العملية وتحليل المخاطر لتخليق الإطار المعدني العضوي

بطل HAZOP: منع MOF Thermal Runaway

تستخدم قياسات ReactIR و RC1mx لفهم الحركية ونقل الحرارة بشكل أفضل في تخليق وتبلور وتوسيع نطاق ZIF-8 MOF.

هناك عدد من الطرق لإنتاج الأطر الأفرادية ، ولكن الطريقة الأكثر عملية وقابلية للتحكم في الإنتاج الصناعي للأطر الأطر الأفرادية هي التخليق الحراري المذاب في المفاعلات. تعتبر درجة حرارة التفاعل أمرا بالغ الأهمية في تخليق MOF وتؤثر على مساحة السطح وتوزيع حجم الجسيمات. من أجل توسيع نطاق سمات المنتج المطلوبة وتحقيقها بأمان ، من الضروري فهم سلوكيات درجة الحرارة وإطلاق الحرارة.

في البحث الموصوف في هذه المقالة ، تم استخدام إطار الإيميدازولات الزيوليتية -8 (ZIF-8) كمثال لدراسة تخليق توسيع نطاق OF. تم التحقيق في مراحل مختلفة من تكوين ZIF-8 في درجة حرارة الغرفة ، بما في ذلك التنوي والنمو والثابت ، باستخدام FTIR في الموقع لتحديد تطور تركيز 2-ميثيل ميدازول بمرور الوقت. ثم تم استخدام البيانات من هذه التجارب في معادلة أفرامي ، والتي تصف كيفية تحول المواد الصلبة من طور إلى آخر عند درجة حرارة ثابتة ، لربط حركية التفاعل بناء على نتائج التركيز التي تم الحصول عليها. من هذه التجارب ، تقرر أن ثابت أفرامي لبلورة ZIF-8 يختلف باختلاف حجم المفاعل. تم إجراء تجارب FTIR في نظام مفاعل RC1e ، مما سهل التحديد المتزامن لدرجة حرارة التفاعل وسلوكيات إطلاق الحرارة. مكنت هذه القياسات من تجنب خصائص المنتج غير المتسقة من الهروب الحراري عند توسيع نطاق إنتاج ZIF-8 من مقياس الملليلتر إلى اللتر. علاوة على ذلك ، تم إجراء تحليل HAZOP كامل لكل خطوة توليف للتحقيق في تأثير الانحرافات ولضمان العمليات الآمنة في مرافق الإنتاج.

كوان ، واي ، باركر ، تي إف ، هوا ، واي ، جيونغ ، إتش ، ووانغ ، كيو (2023). توضيح العملية وتحليل المخاطر لتخليق توسيع نطاق الإطار المعدني العضوي: دراسة حالة ل ZIF-8. أبحاث الكيمياء الصناعية والهندسية ، 62 (12) ، 5035-5041. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c04570

التبلور المعتمد على المعادن والانتقائي لأطر CAU-10 و MIL-53 من خلال نترات الرابط

فوضى MOF المعتمدة على المعادن

تستخدم قياسات ReactIR لإظهار أن جزيئات الرابط يتم نتئتها قبل تكوين إطار MOF ويمكن أن تؤثر على الهيكل.

يتم بناء MOFs من وحدات البناء غير العضوية (أيونات المعادن أو مجموعات الأكسجين المعدني) ووحدات البناء العضوية (الروابط أو الوصلات). في العمل الموصوف في هذه المقالة ، وجد الباحثون أن تفاعل جزيء الرابط على شكل حرف V حمض 5-هيدروكسي إيزوفثاليك (H₂L⁰) مع Al (NO₃) ₃ و Ga (NO₃) ₃ كمواد متفاعلة أدى إلى نترات الرابط بمركبات التكوين [Al (OH) (C₈H_2.08O₅ (NO₂) _0.92)] و [Ga (OH) (C₈H₂O₃ (NO₂)] تتبلور في هيكل النوع CAU-10 و MIL-53 ، على التوالي. يحتوي Al-MOF على الرابط الأصلي L⁰ بالإضافة إلى ثلاثة منتجات نترة مختلفة (L² و L⁴ و L^4/6) ، بينما يشتمل Ga-MOF بشكل أساسي على الرابط L². وأجريت دراسات في الموقع وخارج الموقع لمتابعة النترات والتبلور، فضلا عن تكوين الأطر الأفرادية.

علاوة على ذلك ، علقوا على أنه نظرا لوجود روابط نترات في منتجات التفاعل النهائي ، يجب أن تحدث النترات في الموقع للرابط H₂L⁰ . لتأكيد هذه الملاحظة لكل من MOFs ، تم إجراء قياسات ReactIR وقياسات تشتت الضوء. لقد قرروا أن نترة الترابط H₂L⁰ تحدث قبل تكوين الإطار من خلال ظهور شريط عند 1550 سم ^-1 بعد 5 دقائق والذي يتم تعيينه لاهتزاز التمدد المضاد للمماثل لمجموعة النيترو العطرية. يزداد نطاق النيترو هذا مع وقت التفاعل وبعد 30 دقيقة يصبح النطاق الاهتزازي للاهتزاز المضاد للتمدد لمجموعة الكربوكسيل مرئيا أيضا. في هذه المرحلة الزمنية ، يشير تأثير فاراداي تيندال من الجسيمات الغروية في المحلول إلى بدء تكوين المنتج.

رابي ، ت. ، جريب ، إي إس ، إنجيسر ، تي إيه ، إنجي ، إيه كي ، ستروه ، ج. ، كولماير يلماز ، جي ، وحيدوزمان ، إم ، مورين ، جي ، سونيشسن ، إف دي ، وستوك ، ن. (2021). التبلور الانتقائي والمعتمد على المعادن لأطر CAU-10 و MIL-53 من خلال نترات الرابط. الكيمياء - مجلة أوروبية ، 27 (28) ، 7696-7703. https://doi.org/10.1002/chem.202100373

بولي أوكسوميتالات من نوع Keggin محملة جزيئيا في صفائح نانوية ذات إطار عضوي معدني Zr-ferrocene لإضافة ثاني أكسيد الكربون الدوائية التي تعمل بالطاقة الشمسية

حالة البوليمر المفقود: يلتقط ReactIR الوسيط الذي يثبت آلية MOF

توفر قياسات ReactIR ل MOF الهجين الذي يعمل بالطاقة الشمسية لإضافة ثاني أكسيد الكربون₂ الدوائية نظرة ثاقبة ودعم رئيسيين لآلية تفاعل مقترحة.

نظرا لخصائصها الهيكلية والكيميائية الفريدة ، فإن MOFs مرشحة واعدة للإضافة الحلقية لثاني أكسيد الكربون₂ من خلال الاختزال التحفيزي الذي يحركها الطاقة الشمسية_لثاني أكسيد الكربون 2. يعلق المؤلفون على أن تصميم MOF يحتوي على حصاد جيد للضوء ونشاط تحفيزي ممتاز لإضافة ثاني أكسيد الكربون₂ الدوائية يمثل تحديا كبيرا وأن النهج المحتمل هو تزيين المحفز في MOFs الحرارية الضوئية أو دمج المكونات الحرارية الضوئية في MOFs التحفيزية. مع وضع ذلك في الاعتبار ، قاموا بتطوير محفز هجين يعمل بالطاقة الشمسية عن طريق تزيين POMs نموذجي ، PMo₁₂ (فوسفوموليبدات ، PMo₁₂O_40-3) ، في صفائح نانوية حرارية ضوئية Zr-Fc (Ferrocene) لتفاعلات CO_{2 الدوكلية}. أظهر الهيكل الناتج ، POMs@Zr-FC MOFs ، أداء تحفيزي عاليا مدفوعا بالطاقة الشمسية للإضافة الحلقية لثاني أكسيد الكربون₂. يتمتع المحفز بالاستقرار الممتاز والخاصية الحرارية الضوئية ل Zr-Fc MOF والعديد من المواقع النشطة ل PMo₁₂ للحصول على محفز عالي الكفاءة في CO_{2 cycloaddition}.

لاكتساب مزيد من التبصر في آلية الإضافة الحلقية ، تمت مراقبة تفاعل ثاني أكسيد الكربون₂ وأكسيد الستايرين في وجود POMs@Zr-Fc MOF والمحفز المشترك بروميد الأمونيوم رباعي بوتيل تحت أشعة الشمس الاصطناعية لإنتاج كربونات الستايرين بواسطة التحليل الطيفي FTIR في الموقع عند 80 درجة مئوية والضغط المحيط. اشتدت الذروة الناشئة عن الكربونات الدورية عند 1801 سم ^-1 مع تقدم التفاعل ، كما فعلت الذروة عند 1815 سم ^-1 المخصصة لوسيط أكسيد الستايرين Br. ولوحظ أن ذروة 1815 سم ^-1 للوسيط ظهرت قبل ذروة المنتج 1801 سم ^-1 . علاوة على ذلك ، لم يكن هناك دليل على تكوين كربونات البوليمر ، كما يتضح من عدم وجود ذروة 1760 سم ^-1 . من هذه المعلومات ، تم اقتراح آلية رد فعل معقولة.

فانغ ، ز. ، دينج ، ز. ، وان ، إكس ، لي ، ز. ، ما ، إكس ، حسين ، س. ، يي ، ز. ، وبينغ ، إكس. (2021). بولي أوكسوميتالات من نوع Keggin محملة جزيئيا في صفائح نانوية ذات إطار عضوي معدني Zr-ferrocene للإضافة الحلقية لثاني أكسيد الكربون₂ التي تعمل بالطاقة الشمسية. التحفيز التطبيقي ب البيئة والطاقة ، 296 ، 120329. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120329

MOFs و COFs و MCOFs

بالإضافة إلى MOFs ، هناك فئات أخرى من جزيئات الإطار العضوي القابلة للتخصيص والمسامية العالية ومساحة السطح العالية. وتشمل هذه الأطر العضوية التساهمية غير المعدنية (COFs) التي لها روابط تساهمية بين اللبنات العضوية والأطر العضوية التساهمية المعدنية (MCOFs) التي تحتوي على أنواع معدنية مدمجة في إطار عضوي تساهمي يؤدي إلى اتصال COF التساهمي بوظائف المعادن. هذه المركبات لها مجموعة استثنائية من التطبيقات في التحفيز والبصريات الكهربائية وتخزين الغاز وما إلى ذلك. المثال التالي هو تفاعل محفز MCOF جديد:

توفر قياسات ReactIR على محفز MCOF المستند إلى Ru نظرة ثاقبة ودعما لآلية التفاعل الترادفي غير المتجانسة المقترحة.

تم تصنيع وتوصيف محفز الإطار العضوي التساهمي القائم على الروثينيوم البورفيرين (Ru-COF-1). ينشط المحفز رابطة C-H للكومين لتوليد بيروكسيد الألكيل في الموقع ، ويقترن بإيبوكسيد الهواء النهائي (O₂) للأوليفينات. هذا نهج ترادفي غير متجانس ، يولد نوعا وسيطا / تفاعليا ينتج عنه الإيبوكسيد الانتقائي. تم الإبلاغ عن أن كربونيل الروثينيوم COF (Ru-COF-1) يتمتع بأداء ممتاز ، مع انتقائية إيبوكسيد 98٪ ل 1-hexene. يذكر الباحثون أن الأداء المتفوق ، عند مقارنته ب Ru-porphyrins و COFs الخالية من المعادن ، ناتج عن وجود معدن Ru. لقد قرروا أن الهيكل المسامي يساعد في تخصيب الأكسجين ، وتشكيل جذور بيروكسي نشطة ، مع تكوين جذور الكومين المتمركزة حول الكربون على سطح المحفز. ثم تعمل مواقع Ru-H على تسريع نقل الأكسجين النشط من جذور البيروكسي ، مما يتيح إيبوكسيد الأوليفين جنبا إلى جنب. تم دعم آلية التفاعل المقترحة بحسابات DFT.

للمساعدة في فهم عملية التفاعل ، تم استخدام التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء في الموقع لتسجيل تغيرات المجموعات الوظيفية أثناء الإيبوكسيد. من البيانات ، لاحظوا أن القمم المميزة للكومين انخفضت مع تقدم التفاعل ، وأظهرت تجربة FTIR الإضافية في الموقع أن تفاعل الإيبوكسيد وصل تقريبا إلى التوازن في وقت واحد مع توازن تحويل الكومين. من هذا خلصوا إلى وظائف الكمون كوسيط لنقل الأكسجين ، مما يوفر التحقق من صحة إضافية لآلية التفاعل المقترحة.

لي ، د. ، شيونغ ، سي ، ماو ، كيو ، شي ، إل ، يانغ ، ت. ، هو ، بي ، وجي ، إتش (2025). تعزيز نقل هيدروجين الكومين عبر إطار عضوي تساهمي من البورفيرين قائم على Ru لإبوكسيد الهواء الترادفي للأوليفينات. أبحاث النانو. https://doi.org/10.26599/nr.2025.94907892

أمثلة إضافية لتطبيقات البحث والتطوير في وزارة المالية

أدوات حسابية وتجريبية من الجيل التالي لفهم نواة ونمو الإطار العضوي المعدني

تناقش هذه المقالة التقنيات الحالية لدراسة حركية MOF وكيف يمكن للتحسين في الحصول على البيانات والأساليب متعددة النطاقات أن تعزز التطبيقات القابلة للتطوير. من بين الطرق التي تمت مناقشتها FTIR في الموقع والتحليل الطيفي Raman و FBRM .

بهوناني ، آر آر ، باريتو ، أو إم ، بودوبو ، بي كي آر ، كولون ، واي ، جيري ، جي ، وسينغ ، إم آر (2025). أدوات حسابية وتجريبية من الجيل التالي لفهم التنوي ونمو الأطر المعدنية العضوية. رسائل مواد ACS ، 906-927. https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c02600

تحويل الجلوكوز في وعاء واحد إلى 5 هيدروكسي ميثيل فورفورال باستخدام MOFs ومحفزات برونستد الترادفية الحمضية

تم إجراء اختبار المحفز لتحويل الجلوكوز في وعاء واحد إلى HMF في درجات حرارة مختلفة تحت التحريك في محطة عمل تخليقية EasyMax مزودة بمفاعل خزان زجاجي مضغوط.

لارا سيرانو ، إم ، موراليس ديلاروزا ، إس ، كامبوس مارتن ، جي إم ، عبد القادر فرنانديز ، في كي ، كونها سيلفا ، إل ، وبالولا ، إس إس (2022). تحويل الجلوكوز بوعاء واحد إلى 5 هيدروكسي ميثيل فورفورال باستخدام MOFs ومحفزات برونستيد الحمضية. الأنظمة المستدامة المتقدمة ، 6 (5). https://doi.org/10.1002/adsu.202100444

إيزومير الجلوكوز إلى الفركتوز محفز بواسطة أطر معدنية عضوية

تمت دراسة تفاعل الأيزومرة للجلوكوز مع الفركتوز باستخدام خمسة أطر معدنية عضوية مختارة (MOFs) كمحفزات ومزيج من γ-فاليرولاكتون و 10٪ H₂O كمذيب. تم إجراء اختبار المحفزات في محطة عمل توليف EasyMax .

لارا سيرانو ، م. ، موراليس ديلاروزا ، س. ، كامبوس مارتن ، جي إم ، عبد القادر فرنانديز ، في كيه ، كونها سيلفا ، إل ، وبالولا ، إس إس (2021). أيزومرة الجلوكوز إلى الفركتوز المحفز بواسطة الأطر المعدنية العضوية. الطاقة المستدامة والوقود ، 5 (15) ، 3847-3857. https://doi.org/10.1039/d1se00771h

مراقبة الأشعة تحت الحمراء في الموقع للتحقيق في تكوين العيوب الهيكلية في الإطار المعدني العضوي Zr-fumarate (MOF)

يراقب ReactIR عملية تبلور Zr-fumarate (Zr-fum) MOF في كل من الأنظمة القائمة على H₂O و DMF. في النظام القائم على DMF ، لوحظ استهلاك معدل الحمض (HCOOH) بينما أظهر النظام القائم على H₂O خلاف ذلك. تعمل هذه الملاحظة على تأكيد مشاركة حمض الفورميك أثناء التكوين الهيكلي ل Zr-fum MOF المركب في DMF ، ووجود المذيب كأصل للعيوب الهيكلية.

رين ، ج. ، موسيوكا ، إن إم ، لانغمي ، إتش دبليو ، ووكر ، جيه ، ماثي ، إم ، ولياو ، س. (2018). مراقبة الأشعة تحت الحمراء في الموقع للتحقيق في تكوين العيوب الهيكلية في الإطار العضوي المعدني Zr-fumarate (MOF). متعدد السطوح ، 153, 205–212. https://doi.org/10.1016/j.poly.2018.07.026

التكنولوجيا المستخدمة في دراسة الأطر الأطر التابعة للبلدان

قصص #MTCiting ذات الصلة

كانت هذه القصة جزءا من سلسلة #MTCiting AutoChem من METTLER TOLEDO. في هذه السلسلة نتعمق في أحدث الأبحاث المنشورة حول التطبيقات المبتكرة في البحث والتطوير.

شاهد قصص #MTCiting الأخرى حيث ندرس الأبحاث الرائدة التي تعمل على تحسين سلامة العمليات وكفاءتها وتساهم في الاستدامة في التصنيع الكيميائي.

MTCiting: الأطر المعدنية العضوية (MOFs)

أكتوبر 2025

بطل HAZOP: منع MOF Thermal Runaway

فوضى MOF المعتمدة على المعادن

حالة البوليمر المفقود: يلتقط ReactIR الوسيط الذي يثبت آلية MOF

MOFs و COFs و MCOFs

أمثلة إضافية لتطبيقات البحث والتطوير في وزارة المالية

أدوات حسابية وتجريبية من الجيل التالي لفهم نواة ونمو الإطار العضوي المعدني

تحويل الجلوكوز في وعاء واحد إلى 5 هيدروكسي ميثيل فورفورال باستخدام MOFs ومحفزات برونستد الترادفية الحمضية

إيزومير الجلوكوز إلى الفركتوز محفز بواسطة أطر معدنية عضوية

مراقبة الأشعة تحت الحمراء في الموقع للتحقيق في تكوين العيوب الهيكلية في الإطار المعدني العضوي Zr-fumarate (MOF)

التكنولوجيا المستخدمة في دراسة الأطر الأطر التابعة للبلدان

رد فعل IR

رد فعل رامان

RC1 and EasyMax

برنامج إيزي فيور مع رؤية iC

ParticleTrack G400

قصص #MTCiting ذات الصلة

طلب عرض أسعار أو معلوماتاحصل على عرض أسعارعرض أسعار فوريSolution InformationRequest Online Demo