سنتز سریع MOF با میدان الکتریکی متناوب؛ تولید چارچوب‌های آلی فلزی در 25 دقیقه

پژوهشگران آکادمی علوم چین (Chinese Academy of Sciences) و اداره دولتی تنظیم بازار چین (State Administration for Market Regulation) روشی نوین برای سنتز سریع چارچوب‌های آلی فلزی (Metal–Organic Frameworks یا MOFs) ارائه کرده‌اند. در این روش از یک میدان الکتریکی متناوب کوپله‌شده خازنی (Capacitively Coupled Alternating Electric Field) استفاده می‌شود؛ به این معنا که ولتاژ متناوب از طریق صفحات مشابه خازن اعمال شده و هیچ الکترود مستقیمی با محلول پیش‌ماده در تماس نیست.

این فناوری باعث پیش‌فعال‌سازی محلول‌های پیش‌ماده MOF شده و فرآیند تشکیل بلورها را به‌طور چشمگیری تسریع می‌کند، بدون آنکه ساختار یا خواص نهایی ماده دچار تغییر شود.

کاهش زمان سنتز UiO-66 به تنها 25 دقیقه

محققان برای ارزیابی این فناوری، از UiO-66، یکی از شناخته‌شده‌ترین چارچوب‌های آلی فلزی مبتنی بر زیرکونیوم، به عنوان سیستم آزمایشی استفاده کردند. سنتز این ماده در دمای 80 درجه سانتی‌گراد با کمک میدان الکتریکی متناوب انجام شد و نتایج با روش‌های متداول سولووترمال (Solvothermal) مقایسه گردید.

برای اطمینان از اینکه اثر مشاهده‌شده صرفاً ناشی از افزایش دما نیست، آزمایش‌های کنترل نیز انجام شد. نتایج نشان داد میدان الکتریکی متناوب با پیش‌فعال‌سازی محلول فلز–لیگاند، انرژی لازم برای تشکیل هسته‌های اولیه بلور را کاهش داده و فرآیند رشد بلورها را سرعت می‌بخشد.

در نتیجه، UiO-66 تنها در حدود 25 دقیقه سنتز شد، در حالی که میزان بلورینگی، سطح ویژه و پایداری آن با نمونه‌های تولیدشده به روش‌های متداول کاملاً قابل مقایسه بود.

موفقیت در سنتز انواع مختلف MOF

این روش تنها به UiO-66 محدود نبود و برای چندین چارچوب آلی فلزی دیگر نیز با موفقیت مورد استفاده قرار گرفت. از جمله:

• UiO-66-NH₂
• MOF-801
• MOF-808
• MOF-5
• MIL-88A
• MIL-53

همچنین در چارچوب‌های آلی فلزی مبتنی بر آهن (Fe-MOFs)، میدان الکتریکی متناوب باعث کاهش یون‌های ⁺Fe³ به ⁺Fe² شد که در نهایت فعالیت کاتالیستی شبه‌آنزیمی این مواد را به شکل محسوسی افزایش داد.

مزایای استفاده از میدان الکتریکی متناوب

این فناوری چندین مزیت مهم نسبت به روش‌های مرسوم سنتز MOF دارد:

• کاهش چشمگیر زمان سنتز به حدود 25 دقیقه
• امکان سنتز در دماهای پایین‌تر
• حفظ ساختار بلوری، سطح ویژه و پایداری مواد
• عدم نیاز به افزودن مواد کمکی، مدولاتورها یا بذرهای بلوری
• کاهش مصرف انرژی و هزینه‌های تولید
• مناسب برای تولید در مقیاس صنعتی

گامی به سوی سنتز سبز مواد پیشرفته

به گفته پژوهشگران، میدان‌های الکتریکی متناوب می‌توانند به عنوان کاتالیزورهای فیزیکی غیرگرمایی (Nonthermal Catalysts) عمل کنند. این روش علاوه بر کنترل فرآیند هسته‌زایی، قابلیت تنظیم واکنش‌های اکسایش و کاهش را نیز دارد و می‌تواند در سنتز طیف گسترده‌ای از مواد پیشرفته مورد استفاده قرار گیرد.

کاربردهای آینده

توسعه این فناوری می‌تواند تولید چارچوب‌های آلی فلزی را سریع‌تر، اقتصادی‌تر و سازگارتر با محیط زیست کند. این دستاورد همچنین فرصت‌های جدیدی را برای استفاده گسترده‌تر از MOFها در حوزه‌هایی مانند:

• ذخیره‌سازی گازهای هیدروژن و متان
• جذب و جداسازی دی‌اکسید کربن
• کاتالیزورهای پیشرفته
• حسگرهای شیمیایی
• تصفیه آب و هوا
• سامانه‌های انرژی
• دارورسانی هدفمند

فراهم می‌کند و می‌تواند به توسعه فناوری‌های مبتنی بر مواد متخلخل در مقیاس صنعتی کمک کند.