MTCiting: Ramverk för metall–organiska (MOFs)

Oktober 2025

Nobelpriset i kemi 2025 tilldelades nyligen professorerna Robson, Yaghi och Kitagawa för deras banbrytande arbete med att utveckla metallorganiska rammolekyler (MOF). Den exponentiella tillväxten av forskning om dessa molekyler drivs av deras potentiella användningsområde, inklusive de som tar itu med några av de mest angelägna frågorna som mänskligheten står inför.

MOFs är kristallina, porösa material som syntetiseras genom att länka metalljoner och organiska molekyler till tredimensionella ramverk. Dessa ramverk har extremt höga ytarealer samt porstorlekar som kan dras ihop eller expanderas via skräddarsydd syntes. På så sätt skiljer de sig från andra porösa rammolekyler som zeoliter, som har fasta porstorlekar. På grund av flexibiliteten och funktionaliseringen av MOF-molekyler kan de modifieras exakt för att möta specifika tillämpningar inom gaslagring och separation, katalys, energilagring, läkemedelsleverans och miljömässig hållbarhet.

METTLER TOLEDOs analyssystem, inklusive in-situ FTIR- och Raman-spektroskopi, arbetsstationer för automatiserad syntes, in-situ kristallisations-/avbildningsenheter och DSC/TGA, stöder syntes- och kristallisationsstudier av MOFs och relaterade organiska ramverksföreningar. Tillämpningar diskuteras i följande exempel från litteraturen nedan.

Processklargörande och riskanalys av Metal-Organic Framework Scale-Up Synthesis

HAZOP Hero: Förhindra MOF termisk rusning

ReactIR - och RC1mx-mätningar används för att bättre förstå kinetiken och värmeöverföringen vid syntes, kristallisation och uppskalning av ZIF-8 MOF.

Det finns ett antal metoder för att producera MOFs, men den mest praktiska och kontrollerbara metoden för industriell produktion av MOFs är solvotermisk syntes i reaktorer. Reaktionstemperaturen är kritisk vid MOF-syntes och påverkar ytarean och partikelstorleksfördelningen. För att på ett säkert sätt skala upp och uppnå önskade produktegenskaper är det nödvändigt att förstå temperatur- och värmeavgivningsbeteenden.

I den forskning som beskrivs i denna artikel användes zeolitisk imidazolatramverk-8 (ZIF-8) som ett exempel för att studera MOF:s uppskalningssyntes. Olika stadier av ZIF-8-bildning vid rumstemperatur, inklusive kärnbildning, tillväxt och stationär, undersöktes med hjälp av in-situ FTIR för att identifiera utvecklingen av 2-metylimidazolkoncentrationen över tid. Data från dessa experiment användes sedan i Avrami-ekvationen, som beskriver hur fasta ämnen omvandlas från en fas till en annan vid konstant temperatur, för att korrelera reaktionskinetiken baserat på de erhållna koncentrationsresultaten. Från dessa experiment bestämdes det att Avramis konstant för ZIF-8-kristallisation varierar med reaktorvolymen. FTIR-experimenten utfördes i ett RC1e-reaktorsystem, vilket underlättade samtidig identifiering av reaktionstemperatur och värmeavgivningsbeteenden. Dessa mätningar gjorde det möjligt att undvika inkonsekventa produktegenskaper från termisk rusning vid uppskalning av ZIF-8-produktionen från milliliter till literskala. Dessutom utfördes en fullständig HAZOP-analys för varje syntessteg för att undersöka effekten av avvikelser och för att säkerställa säker drift i produktionsanläggningar.

Quan, Y., Parker, T. F., Hua, Y., Jeong, H., & Wang, Q. (2023). Processbelysning och riskanalys av Metal–Organic Framework Scale-Up Synthesis: En fallstudie av ZIF-8. Forskning inom industriell och teknisk kemi, 62(12), 5035–5041. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c04570

Metallberoende och selektiv kristallisation av CAU-10 och MIL‐53 ramverk genom linkernitrering

Metallberoende MOF-kaos

ReactIR-mätningar används för att visa att länkmolekylerna nitreras innan MOF-ramverket bildas och kan påverka strukturen.

MOFs är konstruerade av oorganiska (metalljoner eller metall-syrekluster) och organiska byggnadsenheter (ligander eller länkare). I arbetet som beskrivs i denna artikel fann forskarna att reaktionen mellan den V-formade länkmolekylen 5-hydroxiisotalsyra (H₂L⁰) med Al (NO₃_{) 3} och Ga (NO₃) ₃ som reaktanter resulterade i nitrering av länkaren med föreningar med sammansättningen [Al (OH) (C₈H_2.08O₅ (NO₂) _0.92)] och [Ga(OH) (C₈H₂O₃ (NO₂)] kristalliseras i strukturen av typen CAU-10 respektive MIL-53. Al-MOF innehåller den ursprungliga länkaren L⁰ samt tre olika nitreringsprodukter (L², L⁴ och L^4/6), medan Ga-MOF huvudsakligen innehåller länkaren L². In-situ och ex-situ studier utfördes för att följa nitrering och kristallisation, samt sammansättningen av MOF:arna.

Dessutom kommenterade de att eftersom nitrerade länkar finns i de slutliga reaktionsprodukterna, måste nitrering av linkern H₂L⁰ ske in situ. För att bekräfta denna observation för både MOFs utfördes ReactIR-mätningar och ljusspridningsmätningar. De bestämde att nitreringen av liganden H₂L⁰ sker före bildandet av ramverket genom uppkomsten av ett band på 1550 ^cm-1 efter 5 minuter, vilket tillskrivs den antisymmetriska sträckningsvibrationen hos den aromatiska nitrogruppen. Detta nitroband ökar med reaktionstiden och efter 30 minuter blir även vibrationsbandet av den antisymmetriska sträckningsvibrationen från karboxylatgruppen synligt. Vid denna tidpunkt indikerar Faraday-Tyndall-effekten från kolloidala partiklar i lösning början av produktbildning.

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). Metallberoende och selektiv kristallisation av CAU-10 och MIL‐53 ramverk genom linkernitrering. Chemistry - en europeisk tidskrift, 27(28), 7696–7703. https://doi.org/10.1002/chem.202100373

Polyoxometalater av Keggin-typ molekylärt laddade i Zr-ferrocen metall organisk ramverksnanoark för soldriven CO2-cykloaddition

Fallet med den saknade polymeren: ReactIR fångar upp mellanhanden som bevisar MOF-mekanismen

ReactIR-mätningar av en hybrid soldriven MOF för CO₂ cykloaddition ger viktig insikt och stöd för en föreslagen reaktionsmekanism.

På grund av deras unika strukturella och kemiska egenskaper är MOFs lovande kandidater för CO₂ cykloaddition genom soldriven katalytisk reduktion av CO₂ . Författarna kommenterar att det är ganska utmanande att designa en MOF som har både bra ljusskörd och utmärkt katalytisk aktivitet för CO₂ cykloaddition och att ett möjligt tillvägagångssätt är att dekorera katalysator i fototermiska MOFs eller införliva fototermiska komponenter i katalytiska MOFs. Med detta i åtanke utvecklade de en hybrid soldriven katalysator genom att dekorera en typisk POMs, PMo₁₂ (fosfomolybdat, PMo₁₂O_40-3), till fototermiska Zr-Fc (Ferrocen) MOFs nanoark för CO₂ cykloadditionsreaktioner. Den resulterande strukturen, POMs@Zr-Fc MOFs, uppvisade hög soldriven katalytisk prestanda för CO₂ cykloaddition. Katalysatorn har både den utmärkta stabiliteten och de fototermiska egenskaperna hos Zr-Fc MOF och många aktiva platser för PMo₁₂ för en högeffektiv katalysator i CO₂ cykloaddition.

För att få ytterligare insikt i cykloadditionsmekanismen övervakades reaktionen av CO₂ och styrenoxid i närvaro av POMs@Zr-Fc MOF och co-katalysator tetrabutylammoniumbromid under artificiellt solljus för att producera styrenkarbonat med in-situ FTIR-spektroskopi vid 80 °C och omgivningstryck. En topp som uppstod från det cykliska karbonatet vid 1801 ^cm-1 intensifierades när reaktionen fortskred, liksom en topp vid 1815 ^cm-1 tilldelad en Br-styrenoxidintermediär. Det noterades att 1815 ^cm-1 toppen av intermediären dök upp före 1801 ^cm-1 produkttoppen. Dessutom fanns det inga tecken på att polymerkarbonat bildades, vilket indikeras av frånvaron av en topp på 1760 ^cm-1 . Utifrån denna information föreslogs en trolig reaktionsmekanism.

Fang, Z., Deng, Z., Wan, X., Li, Z., Ma, X., Hussain, S., Ye, Z., & Peng, X. (2021). Polyoxometalater av Keggin-typ molekylärt laddade i Zr-ferrocen metall organiska ramnanoark för soldriven CO₂ cykloaddition. Tillämpad katalys B Miljö och energi, 296, 120329. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120329

MOFs, COFs och MCOFs

Förutom MOFs finns det andra klasser av anpassningsbara, organiska rammolekyler med hög porositet och hög ytarea. Dessa inkluderar icke-metalliska, kovalenta organiska ramverk (COFs) som har kovalenta bindningar mellan organiska byggstenar och metallkovalenta organiska ramverk (MCOF) som har metallarter integrerade i ett kovalent organiskt ramverk som leder till COF-kovalent konnektivitet med metallfunktionalitet. Dessa föreningar har ett exceptionellt användningsområde inom katalys, elektrooptik, gaslagring etc. Följande exempel är på en ny MCOF-katalyserad reaktion:

ReactIR-mätningar på en Ru-baserad MCOF-katalysator ger insikt och stöd för den föreslagna heterogena tandemreaktionsmekanismen.

En katalysator för ruteniumporfyrin baserat kovalent organiskt ramverk (Ru-COF-1) syntetiserades och karakteriserades. Katalysatorn aktiverar C-H-bindningen av kumen för att generera alkylperoxid in situ och är kopplad till en nedströms luftepoxidation (O₂) av olefiner. Detta är en heterogen tandemmetod, som genererar en intermediär/reaktiv art som ger den selektiva epoxidationen. Karbonyl-rutenium COF (Ru-COF-1) rapporteras ha utmärkt prestanda, med 98 % epoxidselektivitet för 1-hexen. Forskarna konstaterar att den överlägsna prestandan, jämfört med Ru-porfyriner och metallfria COFs, beror på närvaron av Ru-metallen. De bestämde att den porösa strukturen hjälper till med syreanrikning och bildar aktiva peroxiradikaler, med de kumenkolcentrerade radikalerna som bildas på katalysatorns yta. Ru-H-platser påskyndar sedan den aktiva syreöverföringen från peroxiradikaler, vilket möjliggör tandemepoxidation av olefiner. Den föreslagna reaktionsmekanismen stöddes av DFT-beräkningar.

För att hjälpa till att förstå reaktionsprocessen användes in-situ IR-spektroskopi för att registrera förändringarna av funktionella grupper under epoxidationen. Från data noterade de att de karakteristiska topparna av kumen minskade när reaktionen fortskred, och ytterligare in-situ FTIR-experiment visade att epoxidationsreaktionen nästan nådde jämvikt samtidigt med jämvikten för kumenomvandling. Från detta drog de slutsatsen att kumen fungerar som en syreöverföringsmediator, vilket ger ytterligare validering för deras föreslagna reaktionsmekanism.

Li, D., Xiong, C., Mao, Q., Xi, L., Yang, T., Hu, P., & Ji, H. (2025). Ökar överföringen av kumenväte via ett Ru-baserat porfyrinkovalent organiskt ramverk för tandemluftepoxidation av olefiner. Nanoforskning. https://doi.org/10.26599/nr.2025.94907892

Ytterligare exempel på MOF R&D-tillämpningar

Nästa generations beräknings- och experimentella verktyg för att förstå kärnbildning och tillväxt av metall-organiska ramverk

Den här artikeln diskuterar aktuella tekniker för att studera MOF-kinetik och hur förbättrad datainsamling och flerskaliga metoder kan främja skalbara applikationer. In-situ FTIR, Raman-spektroskopi och FBRM är bland de metoder som diskuteras.

Bhawnani, R. R., Barreto, O. M., Podupu, P. K. R., Colón, Y., Giri, G., & Singh, M. R. (2025). Nästa generations beräknings- och experimentella verktyg för att förstå kärnbildning och tillväxt av metall-organiska ramverk. ACS Materials Letters, 906–927. https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c02600

Omvandling av glukos till 5‐hydroximetylfurfural med hjälp av MOFs och Brønsted‐Acid tandemkatalysatorer

Katalysatortestning för omvandling av glukos till HMF i en kruka utfördes vid olika temperaturer under omrörning i en EasyMax-syntesarbetsstation utrustad med en trycksatt glasomrörd tankreaktor .

Lara‐Serrano, M., Morales‐delaRosa, S., Campos‐Martin, J. M., Abdelkader‐Fernández, V. K., Cunha‐Silva, L., & Balula, S. S. (2022). One-Pot omvandling av glukos till 5-hydroximetylfurfural med hjälp av MOFs och Brønsted‐Acid Tandem Catalysts. Avancerade hållbara system, 6(5). https://doi.org/10.1002/adsu.202100444

Isomerisering av glukos till fruktos katalyserad av metall-organiska ramverk

Isomeriseringsreaktionen mellan glukos och fruktos studerades med hjälp av fem utvalda metallorganiska ramverk (MOFs) som katalysatorer och en blandning av γ-valerolakton och 10% H₂O som lösningsmedel. Testning av katalysatorerna utfördes i en EasyMax syntesarbetsstation.

Lara-Serrano, M., Morales-delaRosa, S., Campos-Martin, J. M., Abdelkader-Fernández, V. K., Cunha-Silva, L., & Balula, S. S. (2021). Isomerisering av glukos till fruktos katalyserad av metall-organiska ramverk. Hållbar energi och bränslen, 5(15), 3847–3857. https://doi.org/10.1039/d1se00771h

In-situ IR-övervakning för att undersöka bildandet av strukturella defekter i Zr-fumarat metall-organiskt ramverk (MOF)

ReactIR övervakar kristallisationsprocessen av Zr-fumarat (Zr-fum) MOF i både H₂O- och DMF-baserade system. I DMF-baserade system observerades syramodulatorn (HCOOH) förbrukas medan H₂O-baserade systemet visade något annat. Denna observation tjänar till att bekräfta deltagandet av myrsyra under den strukturella bildningen av Zr-fum MOF syntetiserad i DMF, och närvaron av lösningsmedlet som ursprunget till strukturella defekter.

Ren, J., Musyoka, N. M., Langmi, H. W., Walker, J., Mathe, M., & Liao, S. (2018). In-situ IR-övervakning för att undersöka bildandet av strukturella defekter i Zr-fumarat metall-organiskt ramverk (MOF). Polyhedron, 153, 205–212. https://doi.org/10.1016/j.poly.2018.07.026

Teknik som används i studien av MOFs

Relaterade #MTCiting berättelser

Den här berättelsen var en del av METTLER TOLEDOs AutoChem #MTCiting-serie. I den här serien gör vi en djupdykning i den senaste publicerade forskningen om innovativa tillämpningar inom forskning och utveckling.

Se andra #MTCiting reportage där vi undersöker banbrytande forskning som förbättrar processäkerhet och effektivitet och bidrar till hållbarhet inom kemisk tillverkning.

Sökförslag

MTCiting: Ramverk för metall–organiska (MOFs)

Oktober 2025

HAZOP Hero: Förhindra MOF termisk rusning

Metallberoende MOF-kaos

Fallet med den saknade polymeren: ReactIR fångar upp mellanhanden som bevisar MOF-mekanismen

MOFs, COFs och MCOFs

Ytterligare exempel på MOF R&D-tillämpningar

Nästa generations beräknings- och experimentella verktyg för att förstå kärnbildning och tillväxt av metall-organiska ramverk

Omvandling av glukos till 5‐hydroximetylfurfural med hjälp av MOFs och Brønsted‐Acid tandemkatalysatorer

Isomerisering av glukos till fruktos katalyserad av metall-organiska ramverk

In-situ IR-övervakning för att undersöka bildandet av strukturella defekter i Zr-fumarat metall-organiskt ramverk (MOF)

Teknik som används i studien av MOFs

ReactIR

ReactRaman (ReactRaman)

RC1 and EasyMax

EasyViewer med iC Vision

ParticleTrack G400

Relaterade #MTCiting berättelser

Begär offert eller infoFå en offertDirekt offertLösningsinformationRequest Online Demo