MTCiting: kovinsko-organski okviri (MOF)

Oktobra 2025

Nobelova nagrada za kemijo za leto 2025 je bila pred kratkim podeljena profesorjem Robsonu, Yaghiju in Kitagawi za njihovo temeljno delo pri razvoju molekul kovinsko-organskega okvira (MOF). Eksponentno rast raziskav teh molekul poganja njihov potencialni obseg uporabe, vključno s tistimi, ki obravnavajo nekatera najbolj pereča vprašanja, s katerimi se sooča človeštvo.

MOF so kristalni, porozni materiali, ki se sintetizirajo s povezovanjem kovinskih ionov in organskih molekul v tridimenzionalne okvire. Ti okvirji imajo izjemno velike površine in velikosti por, ki jih je mogoče skrčiti ali razširiti s prilagojeno sintezo. Na ta način se razlikujejo od drugih poroznih okvirnih molekul, kot so zeoliti, ki imajo fiksne velikosti por. Zaradi fleksibilnosti in funkcionalizacije molekul MOF jih je mogoče natančno spremeniti, da ustrezajo specifičnim aplikacijam pri shranjevanju in ločevanju plina, katalizi, shranjevanju energije, dostavi zdravil in okoljski trajnosti.

Analitični sistemi podjetja METTLER TOLEDO, vključno s FTIR in Ramanovo spektroskopijo in situ, avtomatiziranimi delovnimi postajami za sintezo, napravami za kristalizacijo/slikanje na kraju samem ter DSC/TGA, podpirajo študije sinteze in kristalizacije MOF in sorodnih organskih spojin. Aplikacije so obravnavane v naslednjih primerih iz spodnje literature.

Razjasnitev procesa in analiza tveganj sinteze kovinsko-organskega okvira

Junak HAZOP: Preprečevanje toplotnega pobega MOF

Meritve ReactIR in RC1mx se uporabljajo za boljše razumevanje kinetike in prenosa toplote pri sintezi, kristalizaciji in povečanju ZIF-8 MOF.

Obstajajo številne metode za proizvodnjo MOF-ov, vendar je najbolj praktična in nadzorovana metoda za industrijsko proizvodnjo MOF solvotermična sinteza v reaktorjih. Reakcijska temperatura je ključnega pomena pri sintezi MOF in vpliva na površino in porazdelitev velikosti delcev. Za varno povečanje in doseganje želenih lastnosti izdelka je potrebno razumevanje temperature in vedenja pri sproščanju toplote.

V raziskavi, opisani v tem članku, je bil zeolitni imidazolatni okvir-8 (ZIF-8) uporabljen kot primer za preučevanje sinteze MOF. Različne stopnje nastajanja ZIF-8 pri sobni temperaturi, vključno z nukleacijo, rastjo in stacionarnostjo, so bile raziskane z uporabo in-situ FTIR, da bi ugotovili razvoj koncentracije 2-metilimidazola skozi čas. Podatki iz teh poskusov so bili nato uporabljeni v Avramijevi enačbi, ki opisuje, kako se trdne snovi preoblikujejo iz ene faze v drugo pri konstantni temperaturi, da bi povezali kinetiko reakcij na podlagi dobljenih rezultatov koncentracije. Iz teh poskusov je bilo ugotovljeno, da se Avramijeva konstanta za kristalizacijo ZIF-8 spreminja glede na prostornino reaktorja. Poskusi FTIR so bili izvedeni v reaktorskem sistemu RC1e, kar je omogočilo hkratno identifikacijo reakcijske temperature in vedenja sproščanja toplote. Te meritve so omogočile izogibanje nedoslednim lastnostim izdelka zaradi toplotnega pobega pri povečanju proizvodnje ZIF-8 z mililitrske na litrsko lestvico. Poleg tega je bila opravljena popolna analiza HAZOP za vsak korak sinteze, da bi raziskali učinek odstopanj in zagotovili varno delovanje v proizvodnih obratih.

Quan, Y., Parker, T. F., Hua, Y., Jeong, H., & Wang, Q. (2023). Razjasnitev procesa in analiza tveganj sinteze kovinsko-organskega okvira: študija primera ZIF-8. Raziskave industrijske in inženirske kemije, 62(12), 5035–5041. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.2c04570

Kovinsko odvisna in selektivna kristalizacija okvirov CAU-10 in MIL-53 s pomočjo nitracije linkerjev

Kovinsko odvisen MOF kaos

Meritve ReactIR se uporabljajo za prikaz, da so molekule linkerja nitrirane pred nastankom okvirja MOF in lahko vplivajo na strukturo.

MOF so zgrajeni iz anorganskih (kovinski ioni ali grozdni kovinsko-kisikov) in organskih gradbenih enot (ligandov ali povezovalcev). V delu, opisanem v tem članku, so raziskovalci ugotovili, da je reakcija molekule linkerja v obliki črke V 5-hidroksiizoftalne kisline (H₂L⁰) z Al (NO₃_{) 3} in Ga (NO₃) ₃ kot reaktanti povzročila nitriranje veznika s spojinami sestave [Al(OH) (C₈H_2,08O₅ (NO₂) _0,92)] in [Ga (OH) (C₈H₂O₃ (NO₂)] kristalizira v strukturi tipa CAU-10 oziroma MIL-53. Al-MOF vsebuje originalni linker L⁰ in tri različne nitracijske produkte (L², L⁴ in L^4/6), medtem ko Ga-MOF v glavnem vključuje linker^L2. Izvedene so bile študije in situ in ex-situ, da bi sledili nitraciji in kristalizaciji ter sestavi MOF-ov.

Poleg tega so pripomnili, da je treba glede na to, da so v končnih reakcijskih produktih najdeni nitrirani vezni elementi, opraviti nitracijo vezivnega modula H₂L⁰ na kraju samem. Za potrditev tega opazovanja za oba MOF so bile izvedene meritve ReactIR in meritve sipanja svetlobe. Ugotovili so, da se nitracija liganda H₂L⁰ pojavi pred nastankom okvirja s pojavom pasu na 1550 ^cm-1 po 5 minutah, ki je pripisan antisimetrični raztezni vibraciji aromatske nitro skupine. Ta nitro-pas se povečuje z reakcijskim časom in po 30 minutah postane viden tudi vibracijski pas antisimetrične raztezne vibracije karboksilatne skupine. V tem trenutku Faraday-Tyndallov učinek koloidnih delcev v raztopini kaže na začetek nastajanja produkta.

Rabe, T., Grape, ES, Engesser, TA, Inge, AK, Ströh, J., Kohlmeyer-Yilmaz, G., Wahiduzzaman, M., Maurin, G., Sönnichsen, FD, & Stock, N. (2021). Kovinsko odvisna in selektivna kristalizacija okvirov CAU-10 in MIL-53 s pomočjo nitracije linkerjev. Kemija - evropska revija, 27(28), 7696–7703. https://doi.org/10.1002/chem.202100373

Polioksometalati tipa Keggin, molekularno obremenjeni v Zr-ferocenski kovinski organski okvirni nanoplošči za cikloadicijo CO2 na sončni pogon

Primer manjkajočega polimera: ReactIR ujame vmesni produkt, ki dokazuje mehanizem MOF

ReactIR meritve hibridnega sončnega pogona MOF za cikloadicijo CO₂ zagotavljajo ključni vpogled in podporo predlaganemu reakcijskemu mehanizmu.

Zaradi svojih edinstvenih strukturnih in kemijskih lastnosti so MOF obetavni kandidati za cikloadicijo CO₂ s katalitično redukcijo CO₂ na sončni pogon. Avtorji komentirajo, da ima oblikovanje MOF dobro nabiranje svetlobe in odlično katalitično aktivnost za cikloadicijo CO₂ je precej zahtevno in da je možen pristop okrasitev katalizatorja v fototermalne MOF-e ali vključitev fototermalnih komponent v katalitične MOF-ove. S tem v mislih so razvili hibridni katalizator na sončni pogon z okrasitvijo tipičnih POM, PMo₁₂ (fosfomolibdat,_{PMo 12}O_40-3), v fototermalne nanoliste Zr-Fc (ferocen) MOF za reakcije cikloadicije_CO2. Nastala struktura, POMs@Zr-Fc MOF, je pokazala visoko katalitično zmogljivost na sončni pogon za cikloadicijo CO₂. Katalizator ima odlično stabilnost in fototermalne lastnosti Zr-Fc MOF in veliko aktivnih mest PMo₁₂ za visoko učinkovit katalizator v cikloadiciji CO₂.

Da bi pridobili nadaljnji vpogled v mehanizem cikloadicije, je bila reakcija CO₂ in stiren oksida v prisotnosti POMs@Zr-Fc MOF in kokatalizatorja tetrabutil amonijevega bromida pod umetno sončno svetlobo za proizvodnjo stiren karbonata spremljana s spektroskopijo FTIR na kraju samem pri 80 °C in tlaku okolja. Vrh, ki izhaja iz cikličnega karbonata pri 1801 ^cm-1 , se je z napredovanjem reakcije okrepil, prav tako pa tudi vrh pri 1815 ^cm-1 , ki je bil dodeljen intermediatu Br-stiren oksida. Ugotovljeno je bilo, da se je vrh 1815 ^cm-1 vmesnega izdelka pojavil pred vrhom izdelka 1801 ^cm-1 . Poleg tega ni bilo dokazov o nastajanju polimernega karbonata, kar kaže odsotnost vrha 1760 ^cm-1 . Iz teh informacij je bil predlagan verjeten reakcijski mehanizem.

Fang, Z., Deng, Z., Wan, X., Li, Z., Ma, X., Hussain, S., Ye, Z., & Peng, X. (2021). Polioksometalati tipa Keggin, molekularno obremenjeni v Zr-ferocenski kovinski organski okvirni nanoplošči za cikloadicijo CO₂ na sončni pogon. Uporabljena kataliza B Okolje in energija, 296, 120329. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120329

MOF, COF in MCOF

Poleg MOF obstajajo tudi drugi razredi prilagodljivih, visoko poroznih molekul organskega okvira z veliko površino. Ti vključujejo nekovinske, kovalentne organske okvire (COF), ki imajo kovalentne vezi med organskimi gradniki in kovinsko-kovalentnimi organskimi okviri (MCOF), ki imajo kovinske vrste, integrirane v kovalentni organski okvir, kar vodi do COF-kovalentne povezljivosti s kovinsko funkcionalnostjo. Te spojine imajo izjemen obseg uporabe v katalizi, elektrooptiki, skladiščenju plina itd. Naslednji primer je nova katalizirana reakcija MCOF:

Meritve ReactIR na katalizatorju MCOF na osnovi Ru zagotavljajo vpogled in podporo predlaganemu tandemskemu heterogenemu reakcijskemu mehanizmu.

Sintetizirali in karakterizirali katalizator kovalentnega organskega okvira na osnovi rutenijevega porfirina (Ru-COF-1). Katalizator aktivira C-H vez kumena, da ustvari alkil peroksid in situ, in je povezan z nadaljnjo zračno (O₂) epoksidacijo olefinov. To je heterogeni tandemski pristop, ki ustvarja vmesno/reaktivno vrsto, ki daje selektivno epoksidacijo. Poroča se, da ima karbonil-rutenij COF (Ru-COF-1) odlično delovanje, z 98% selektivnostjo epoksida za 1-heksen. Raziskovalci navajajo, da je vrhunska zmogljivost v primerjavi z Ru-porfirini in COP-i brez kovin posledica prisotnosti kovine Ru. Ugotovili so, da porozna struktura pomaga pri obogatitvi kisika, tvori aktivne peroksi radikale, pri čemer se na površini katalizatorja oblikujejo radikali, osredotočeni na kumenski ogljik. Ru-H mesta nato pospešijo prenos aktivnega kisika iz peroksi radikalov, kar omogoča olefinsko tandemsko epoksidacijo. Predlagani reakcijski mehanizem je bil podprt z izračuni DFT.

Za lažje razumevanje reakcijskega procesa je bila uporabljena IR spektroskopija in-situ za beleženje sprememb funkcionalnih skupin med epoksidacijo. Iz podatkov so ugotovili, da so se značilni vrhovi kumena z nadaljevanjem reakcije zmanjševali, dodatni poskusi FTIR in situ pa so pokazali, da je reakcija epoksidacije skoraj dosegla ravnovesje istočasno z ravnovesjem pretvorbe kumena. Iz tega so zaključili, da kumen deluje kot mediator prenosa kisika, kar zagotavlja dodatno potrditev predlaganega reakcijskega mehanizma.

Li, D., Xiong, C., Mao, Q., Xi, L., Yang, T., Hu, P., & Ji, H. (2025). Povečanje prenosa kumenskega vodika prek porfirinskega kovalentnega organskega okvira na osnovi Ru za tandemsko zračno epoksidacijo olefinov. Nano raziskave. https://doi.org/10.26599/nr.2025.94907892

Dodatni primeri aplikacij za raziskave in razvoj MOF-a

Računalniška in eksperimentalna orodja naslednje generacije za razumevanje nukleacije in rasti kovinsko-organskega okvira

Ta članek obravnava trenutne tehnike za preučevanje kinetike MOF in kako lahko izboljšano pridobivanje podatkov in večstopenjski pristopi izboljšajo razširljive aplikacije. Med obravnavanimi metodami so FTIR in situ , Ramanova spektroskopija in FBRM .

Bhawnani, R. R., Barreto, O. M., Podupu, P. K. R., Colón, Y., Giri, G., & Singh, M. R. (2025). Računalniška in eksperimentalna orodja naslednje generacije za razumevanje nukleacije in rasti kovinsko-organskih okvirov. ACS Materials Letters, 906–927. https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c02600

Pretvorba glukoze v 5-hidroksimetilfurfural z uporabo MOF in tandemskih katalizatorjev Brønsted-Acid

Testiranje katalizatorja za enolončno pretvorbo glukoze v HMF je bilo izvedeno pri različnih temperaturah pod mešanjem na delovni postaji za sintezo EasyMax , opremljeni z reaktorjem za mešanje pod tlakom.

Lara-Serrano, M., Morales-delaRosa, S., Campos-Martin, J. M., Abdelkader‐Fernández, V. K., Cunha‐Silva, L., & Balula, S. S. (2022). Pretvorba glukoze v 5-hidroksimetilfurfural z uporabo MOF in tandemskih katalizatorjev Brønsted-kisline. Napredni trajnostni sistemi, 6(5). https://doi.org/10.1002/adsu.202100444

Izomerizacija glukoze v fruktozo, ki jo katalizirajo kovinsko-organski okviri

Izomerizacijska reakcija glukoze v fruktozo je bila raziskana z uporabo petih izbranih kovinsko-organskih okvirov (MOF) kot katalizatorjev in mešanice γ-valerolaktona in 10% _H2O kot topila. Testiranje katalizatorjev je bilo izvedeno na delovni postaji za sintezo EasyMax .

Lara-Serrano, M., Morales-delaRosa, S., Campos-Martin, J. M., Abdelkader-Fernández, V. K., Cunha-Silva, L., & Balula, S. S. (2021). Izomerizacija glukoze v fruktozo, ki jo katalizirajo kovinsko-organski okviri. Trajnostna energija in goriva, 5(15), 3847–3857. https://doi.org/10.1039/d1se00771h

In-situ IR monitoring za preučevanje nastanka strukturnih napak v kovinsko-organskem okviru Zr-fumarata (MOF)

ReactIR spremlja proces kristalizacije Zr-fumarata (Zr-fum) MOF v sistemih na osnovi_H2O in DMF. V sistemu, ki temelji na DMF, so opazili , da se modulator kisline (HCOOH) porabi, medtem ko je sistem na osnovi_H2O pokazal drugače. To opazovanje služi za potrditev sodelovanja mravljinčne kisline med strukturnim nastajanjem Zr-fum MOF , sintetiziranega v DMF, in prisotnosti topila kot izvora strukturnih napak.

Ren, J., Musyoka, N. M., Langmi, H. W., Walker, J., Mathe, M., & Liao, S. (2018). In-situ IR monitoring za preučevanje nastanka strukturnih napak v kovinsko-organskem okviru Zr-fumarata (MOF). Polieder, 153, 205–212. https://doi.org/10.1016/j.poly.2018.07.026

Tehnologija, ki se uporablja pri preučevanju MOF

Sorodne #MTCiting zgodbe

Ta zgodba je bila del serije METTLER TOLEDO AutoChem #MTCiting. V tej seriji se potopimo v najnovejše objavljene raziskave o inovativnih aplikacijah v raziskavah in razvoju.

Oglejte si druge #MTCiting zgodbe, v katerih preučujemo revolucionarne raziskave, ki izboljšujejo varnost in učinkovitost procesov ter prispevajo k trajnosti v kemični proizvodnji.

Predlogi iskanja

MTCiting: kovinsko-organski okviri (MOF)

Oktobra 2025

Junak HAZOP: Preprečevanje toplotnega pobega MOF

Kovinsko odvisen MOF kaos

Primer manjkajočega polimera: ReactIR ujame vmesni produkt, ki dokazuje mehanizem MOF

MOF, COF in MCOF

Dodatni primeri aplikacij za raziskave in razvoj MOF-a

Računalniška in eksperimentalna orodja naslednje generacije za razumevanje nukleacije in rasti kovinsko-organskega okvira

Pretvorba glukoze v 5-hidroksimetilfurfural z uporabo MOF in tandemskih katalizatorjev Brønsted-Acid

Izomerizacija glukoze v fruktozo, ki jo katalizirajo kovinsko-organski okviri

In-situ IR monitoring za preučevanje nastanka strukturnih napak v kovinsko-organskem okviru Zr-fumarata (MOF)

Tehnologija, ki se uporablja pri preučevanju MOF

ReactIR

ReactRaman

RC1 and EasyMax

EasyViewer s funkcijo iC Vision

ParticleTrack G400

Sorodne #MTCiting zgodbe

Zahtevajte ponudbo ali informacijePridobite ponudboTakojšnja ponudbaInformacije o rešitviRequest Online Demo