Synthese und Charakterisierung von selbstorganisierten metallorganischen Gerüstmonolagen unter Verwendung polymerbeschichteter Partikel

Zusammenfassung

Ein Protokoll für die Synthese und Charakterisierung von selbstorganisierten metallorganischen Gerüst-Monoschichten wird unter Verwendung von polymergepfropften, metallorganischen Gerüstkristallen (MOF) erstellt. Das Verfahren zeigt, dass polymergepfropfte MOF-Partikel an einer Luft-Wasser-Grenzfläche selbstorganisiert werden können, was zu gut geformten, freistehenden Monolagenstrukturen führt, wie die Rasterelektronenmikroskopie zeigt.

Zusammenfassung

Metallorganische Gerüste (MOFs) sind Materialien mit potenziellen Anwendungen in Bereichen wie Gasadsorption und -trennung, Katalyse und Biomedizin. Versuche, den Nutzen von MOFs zu verbessern, umfassten die Herstellung verschiedener Komposite, einschließlich polymergepfropfter MOFs. Durch das direkte Pfropfen von Polymeren auf die äußere Oberfläche von MOFs können Probleme der Inkompatibilität zwischen Polymeren und MOFs überwunden werden. Polymerbürsten, die von der Oberfläche von MOFs aufgepfropft werden, können dazu dienen, das MOF zu stabilisieren und gleichzeitig den Zusammenbau von Partikeln zu selbstorganisierten metallorganischen Gerüst-Monoschichten (SAMMs) über Polymer-Polymer-Wechselwirkungen zu ermöglichen.

Die Kontrolle über die chemische Zusammensetzung und das Molekulargewicht des gepfropften Polymers kann die Abstimmung der SAMM-Eigenschaften ermöglichen. In dieser Arbeit wird eine Anleitung zur Immobilisierung eines Chain Transfer Agents (CTA) auf der Oberfläche des MOF UiO-66 (UiO = Universitetet i Oslo) gegeben. Die CTA dienen als Initiationsstellen für das Wachstum von Polymeren. Sobald Polymerketten aus der MOF-Oberfläche gezüchtet sind, wird die Bildung von SAMMs durch Selbstorganisation an einer Luft-Wasser-Grenzfläche erreicht. Die resultierenden SAMMs werden charakterisiert und durch Rasterelektronenmikroskopie als eigenständig nachgewiesen. Es wird erwartet, dass die in dieser Arbeit vorgestellten Methoden die Herstellung von SAMMs für die Forschungsgemeinschaft zugänglicher machen und dadurch ihre potenzielle Verwendung als MOF-Polymer-Verbundwerkstoff erweitern.

Einleitung

Metallorganische Gerüste (MOFs) sind kristalline, poröse Materialien, die große Oberflächen bieten und gleichzeitig durch Modifikationen der organischen Liganden oder Metallknoten leicht einstellbar sind ^1,2. MOFs bestehen aus zwei Komponenten: einem organischen Liganden und Metallionen (oder Metallionenclustern, die als sekundäre Gebäudeeinheiten (SBUs) bezeichnet werden. MOFs wurden für die Lagerung von Chemikalien (z. B. Gas), Trennungen, Katalyse, Sensorik und Wirkstoffabgabe untersucht. Im Allgemeinen werden MOFs in Form von kristallinen Pulvern synthetisiert; Aus Gründen der einfachen Handhabung in viele....

Protokoll

1. Oberflächenmodifikation von UiO-66 mit cat-DDMAT

1. Tauschen Sie das Lösungsmittel von UiO-66 aus Methanol durch Wasser aus.
   1. UiO-66 in Methanol in einer Konzentration von 20 mg/ml herstellen.
      HINWEIS: Laut Wang et ^al.20 wird homogenes UiO-66 nach der Synthese mit DMF und Methanol gewaschen und dann in dispergiertem Zustand in Methanol gelagert.
   2. Übertragen Sie die 10 mL UiO-66-Suspension mit einer Pipette in ein konisches 15-ml-Zentrifugenröhrchen.
   3. Führen Sie die Zentrifugation bei ca. 10.000 × g für 10 Minuten durch, entfernen Sie den Überstand und fügen Sie 10 ml deionisiertes....

Diskussion

Es gibt mehrere kritische Schritte, bei denen besondere Aufmerksamkeit für Details erforderlich ist, um erfolgreich polymergepfropfte MOFs zu synthetisieren, die SAMMs erzeugen. Zunächst werden die bei der RAFT-Polymerisation verwendeten Monomere während der Lagerung mit Inhibitoren oder Stabilisatoren ergänzt, um eine unerwünschte Polymerisation zu verhindern (z. B. Hydrochinon oder Monomethylether des Hydrochinons, MEHQ). Um diese Zusatzstoffe zu entfernen, ist vor der Verwendung eine Reinigung durch Destillation .......

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
2-(dodecylthiocarbonothioylthio)-2-methylpropionic acid (DDMAT)	Sigma-Aldrich	723010	98%
10 mL Single Neck RBF	Chemglass	CG-1506-82	14/20 Outer Joint
Acetone	Fisher Chemical	A18-20	ACS Grade
Allegra X-30R Centrifuge	BECKMAN COULTER	B06320	1.6 L max capacity, 18,000 RPM, 29,756 x g
Analog Vortex Mixer	VWR	10153-838	300 - 3,200 rpm
cat-DDMAT			Prepared according to literature procedure (ref. 17).
Centrifuge Tube, 50 mL / 15 mL	CORNING	430291 / 430766	Conical Bottom with plug seal cap, polypropylene
Chloroform	Fisher Chemical	AC423550040	99.8%
Conventional needles	Becton Dickinson	382903051670	21 G x 1 1/2
Copper wire	Malin Co.		No. 30 B & S GAUGE
Dimethyl Sulfoxide (DMSO)	Fisher Bioreagents	BP231-1	>=99.7%
Disposable Pasteur Pipets	Fisher Scientific	13-678-20C	Borosilicate Glass
Ethanol	KOPTEC	V1001	200 proof ethanol
Glass Scintillation Vial, 20 mL	KIMBIL	74508-20
Graduated Cylinder, 10 mL	KIMBIL	20024-10
Hypodermic Needles	Air-Tite	N224	22 G x 4''
Methanol	Fisher Chemical	A412-20	99.8%
Methyl Acrylate	Aldrich Chemistry	M27301	99%, contains =< 100 ppm monomethyl ether hydroquinone as inhibitor
Micropipette P10 (1 - 10 µL)	GILSON	F144055M	PIPETMAN, Metal Ejector
Micropipette P1000 (100 - 1,000 µL)	GILSON	F144059M	PIPETMAN, Metal Ejector
Micropipette P20 (2 - 20 µL)	GILSON	F144056M	PIPETMAN, Metal Ejector
Microscope cover glass	Fisher Scientific	12542A	18 mm x 18 mm
NN-Dimerhylformamide (DMF)	Fisher Chemical	D119-4	99.8%
Petri Dish, Stackable Lid	Fisher Scientific	FB0875713A	60 mm x 15 mm
Septum Stopper	Chemglass	CG302401	14/20 - 14/35
Stir Bar	Chemglass	CG-2005T-01	Magnetic, PTFE, Turbo, Rare Earth, Elliptical, 10 x 6mm
SuperNuova+ Stirring Hot Plate	Thermo Scientific	SP88857190	50 - 1,500 rpm, 30 - 450 °C
Toluene	Fisher Chemical	T324-4	99.5%
Tris[2-phenylpyridinato-C2,N]iridium(III) (Ir(ppy)3)	Sigma-Aldrich	688096	97%
UiO-66 (120 nm edge length)			Prepared according to literature procedure (ref. 18).
Ultrasonic Cleaner CPX3800H	EMERSON / BRANSON	CPX-952-318R	40 kHz, 5.7 L
Waterproof Flexible LED Strip Light	ALITOVE	ALT-5B300WPBK	16.4 ft 5050 Blue LED