밀-96와 UiO-66-NH2 원자 층 Solvothermal 합성 섬유 매트에 금속 산화물 코팅을 입금

요약

금속-유기 프레임 워크 가스 저장 및 이질적인 촉매, 하지만 어려운 스마트 재료에 통합 하는 느슨한 분말에서 전형적인 합성 방법 결과에 효과적입니다. Solvothermal 합성 동안 직물에 MOF의 등각 영화 인 ALD 금속 산화물, 첫 번째 코팅 직물의 방법을 설명 합니다.

초록

금속-유기 프레임 워크 (MOFs), 반응성 금속 클러스터 및 큰 porosities 및 표면 유기 ligands를 포함 하는 가스 흡착, 분리, 촉매 작용에 효과가 입증 했다. MOFs는 가장 일반적으로 대량 분말, 분말 다공성 흡착 용량 위험 기능 장치 및 직물에 그들을 준수 하는 추가 프로세스를 요구로 합성 된다. 여기, 우리 금속 산화물 필름 원자 층 증 착 (ALD)를 사용 하 여 첫 번째 코팅 직물의 메서드를 보여 줍니다. 이 프로세스는 MOF nucleation 더 반응 표면 제공 하 각 섬유에 제어 두께의 등각 영화를 만듭니다. ALD 코팅 패브릭 솔루션에서 물속에 넣는 solvothermal MOF 합성 하는 동안,는 MOFs 잘 준수 등각 코팅에 만들 섬유, MOF 기능성된 직물, MOF 숨 구멍을 차단할 수 있습니다 추가 접착 재료 없이 결과 기능 사이트입니다. 여기 우리는 2 개의 solvothermal 합성 방법을 보여 줍니다. 첫째, 우리는 MOF에 금속 산화물을 변환 하는 합성 조건을 사용 하 여 폴 리 프로필 렌 섬유에 MIL-96(Al) 레이어를 형성 합니다. 다양 한 두께의 초기 무기 영화를 사용 하 여, 무기에 유기 링커의 확산 수 있습니다 MOF의 범위를 제어 하는 직물에 로드. 둘째, 우리는 폴 리아 미드 6 (PA-6) 섬유에 코팅, 그로 인하여 균일 하 고 멀 박막 MOF의 직물에 생산 등각 금속 산화물에 UiO-66-NH₂ MOF nucleates의 solvothermal 합성을 수행 합니다. 결과 자료 필터 장치 또는 보호 의류에 직접 통합 될 수 있다 고 느슨한 분말의 나쁜 특성을 제거 합니다.

서문

금속 유기 기구는 반응성 금속 클러스터 센터 유기 분자 링커 큰 porosities 및 표면 영역을 제공 하 여 브리지 구성 된 결정 구조 이다. 그들의 구조, 다공성, 고 기능 적절 한 클러스터 및 링커, 7000 m²/g_MOF^1,2만큼 높은 표면 지역에 지도 선택 하 여 디자인 될 수 있다. 그들의 높은 다공성과 표면적 MOFs diversely 적용에서 만든 흡착, 분리, 및 에너지 생산에서 생물 학적 과정^{1,3, 환경 문제에 이르기까지 분야에서 이질적인 촉매 작용 4,,56}.

수많은 MOFs는 선택적으로 휘발성 유기 화합물 및 온실 가스 adsorbing 또는 인간의 건강 또는 환경에 유해한 증명할 수 있는 화학 물질을 촉매로 저하 성공적인 입증 했다. 특히, 밀-96 (알) 금속 클러스터⁷에 약한 루이스 산 알와 조정 질소 그룹에 혼자 쌍 전자의 가용성으로 인해 선택적으로 흡착 질소 휘발성 유기 화합물 (Voc)을 보이고 있다. 밀 96 또한 표시 되었습니다 adsorb 가스 CO₂, p-크 실 렌, 그리고 m-자일 렌^8,9. MOF 흡착 선택도 금속 클러스터로 기 공 크기의 루이스 산을 모두에 따라 달라 집니다. 밀-96의 기 공 크기는 온도, 증가 흡착 용량 증가 온도, trimethylbenzene의 결과로 증가 하 고 선택 흡착 온도⁹도 튜닝의 기회를 제공.

여기의 두 번째 MOF, UiO-66-NH₂ 촉매로 화학 (cwa)와 simulants 저하 될 표시 되었습니다. 링커에 아민 그룹 신경 에이전트, 에이전트 저하 제품 지르코늄 클러스터에 레스터 바인딩 및 MOF¹⁰중독을 방지 하는 동안 저하에 시너지 효과를 제공 합니다. UiO-66-NH₂ 는 촉매로 분해 디 메 틸 p-nitrophenylphosphate (DMNP) 버퍼 조건에서 0.7 분으로 짧은 반감기를 가진 거의 20 배는 기본 MOF UiO-66^11,12보다 더 빨리.

이러한 흡착 및 촉매 속성 유망한 동안, MOFs, 주로 대량 분말의 물리적 형태 없이 중요 한 대량 추가, 모 공 막힘 또는 MOF 감소 가스 캡처 및 여과 대 한 플랫폼에 통합 하기가 어려울 수 있습니다. 유연성입니다. 안으로 MOF 기능성된 직물을 만드는 것입니다. MOFs 전기 MOF 분말/폴리머 슬러리, 접착제 믹스, 스프레이 코팅, solvothermal 성장과 전자 레인지 종합, 레이어, 레이어 성장 방법^13,14 을 포함 한 무수 한 방법으로 직물에 통합 되었습니다. ^{, 15 , 16 , 17 , 18}. 이들의 전기 및 폴리머 접착제 귀 착될 수 있다 MOF에 차단된 기능 사이트로 그들은 크게 감소 하는 흡착 용량 및 반응성 폴리머에 캡슐화 됩니다. 또한, 이러한 기술의 많은 시력의 라인 어려움 또는 가난한 접착/nucleation 및 순전히 정전기 상호 작용에 대 한 의존도 섬유에 등각 코팅을 만들 실패 합니다. 대체 방법은 첫 코트 MOF^18,19강한 표면 상호 작용 수 있도록 금속 산화물을 가진 직물 이다.

한 금속 산화물 증 착 방법은 원자 층 증 착 (ALD)입니다. ALD 입금 등각 박막, 원자 규모를 제어 하는 기술 이다. 프로세스 활용 두 절반 반응 코팅 기판의 표면에만 발생 하는. 첫 번째 단계는 복용량 전조, 표면에 hydroxyls와 반응, 과잉 반응 시스템에서 제거 하는 동안 metallated 표면 떠나를 포함 하는 금속입니다. 두 번째 반응 한 산소 포함 된 반응, 일반적으로 금속 산화물을 형성 하는 금속 사이트와 반응 물 이다. 다시, 물을 초과 하 고 어떤 반응 제품 시스템에서 제거 됩니다. 이러한 대체 복용량 및 제거 원하는 필름 두께 얻을 때까지 반복 될 수 있다 (그림 1). 원자 층 증 착은 소규모 수증기 단계 선구자 섬유 매트 등 복잡 한 토폴로지를 기판의 모든 표면에 등각 영화에 대 한 허용 하기 때문에 특히 유용 합니다. 또한, 폴 리 프로필 렌 등 폴리머, ALD 조건 미래 MOF 성장²⁰강한 앵커를 제공 하는 섬유 표면에 확산 코팅을 허용할 수 있습니다.

금속 산화물 코팅 기능 그룹 및 거칠기^18,20증가 하 여 전통적인 solvothermal 합성 중 증가 nucleation 사이트 섬유에 대 한 수 있습니다. 우리의 그룹은 이전 표시 ALD 금속 산화물 기본 레이어는 UiO 6 X, 동아-1, 그리고 solvothermal, 레이어, 레이어 및 hydroxy-더블 소금 변환 방법^{13,17, 다양 한 경로 통해 다른 종합에 대 한 효과적인 18,21,,2223}. 여기 두 가지 합성 유형 설명합니다. 밀 재료는 유기 링커의 확산에 의해 Al₂O₃ ALD 코팅 MOF를 직접 변환 하 여 형성 된다. 잠수는 Al₂O₃ ALD 코팅된 섬유 매트 trimesic 산 성 솔루션에 난방, 여 유기 링커 형태로 밀 96 금속 산화물 코팅으로 확산. 이 결과 모든 섬유 표면에 강하게 준수, 등각 MOF 코팅. 두 번째 합성 방법은 일반적인 UiO-66-NH₂ 열 수 합성 금속 및 유기 선구자를 사용 하 여 호출 하지만 금속 산화물 코팅된 섬유 매트는 MOF nucleates를 추가 합니다. 두 합성 방법에 대 한 결과 제품 구성 MOF의 등각 박막의 결정은 강하게 지원 직물에 준수. 밀-96의 경우 이러한 Voc 또는 온실 가스의 흡착에 대 한 필터에 통합할 수 있습니다. UiO-66-NH₂ 이 직물 수 쉽게 통합 경량 보호복 군사 요원, 첫번째 응답기 및 CWA 공격에 대 한 지속적인 방어를 위한 민간인에 대 한.

프로토콜

1. 원자 층 증 착 (ALD) 알루미늄₂O₃ 섬유 매트에의

1. 반응 기 배 (얇은, 엄밀한, 금속 메쉬 홀더) 2.54 x 2.54 cm² 폴 리 프로필 렌 직물 샘플을 놓습니다. 반응 기의 회로도 그림 2에 표시 됩니다.
2. 압력 게이지를 엽니다. 원자로 모자에서는 걸쇠를 제거 합니다. LabView 시스템에서 수동 제어를 켜십시오. ALD 반응 기에 캐리어 질소와 게이트 밸브를 닫습니다. 환기 질소를 엽니다.
3. 원자로 뚜껑을 제거한 후 ALD 반응 기에 직물 샘플을 로드 합니다. 원자로 뚜껑을 교체 하 고 게이트 밸브를 엽니다. 통풍구를 닫고 캐리어 질소를 엽니다. 수동 제어를 해제 합니다.
4. Al₂O₃ 직물에 대 한 제조 법을 로드 합니다. 제조 법 trimethylaluminum (TMA) 1.2 복용량 또는 것 이다 s, 뒤에 30 s 건조 질소 제거 또는 물 1 복용량 s 60 s 건조 질소 다음 제거. 제조 법 1000 사이클 실행을 설정 합니다.
5. 질량 유량 컨트롤러 20 cfm 및 보일 러 온도 90 ° C (84 ° C로 인터페이스)를 설정 합니다.
6. TMA와 물에 수동 밸브를 엽니다. 압력 게이지를 닫습니다. 원자로 뚜껑에 걸쇠를 교체 합니다. 인터페이스에서 시작 을 누릅니다.
7. 완료 되 면 제조 법, 압력 게이지를 엽니다. 원자로 모자에서는 걸쇠를 제거 합니다. 시스템에서 수동 제어를 켜십시오. ALD 반응 기에 캐리어 질소와 게이트 밸브를 닫습니다. 환기 질소를 엽니다.
8. 원자로 모자 및 샘플 보트를 제거. 다시 원자로 봉인.
   참고: 프로시저 수 있습니다 수 일시 중지이 시점에서.

2. 원자 층 증 착 (ALD) 폴 리아 미드 6 (PA-6) 섬유 매트에 티 오₂

1. 반응 기 배 (얇은, 엄밀한, 금속 메쉬 홀더) 2.54 x 2.54 cm² PA 6 직물 샘플을 놓습니다.
2. 압력 게이지를 엽니다. 원자로 모자에서는 걸쇠를 제거 합니다. LabView 시스템에서 수동 제어를 켜십시오. ALD 반응 기에 캐리어 질소와 게이트 밸브를 닫습니다. 환기 질소를 엽니다.
3. 원자로 뚜껑을 제거한 후 ALD 반응 기에 직물 샘플을 로드 합니다. 원자로 뚜껑을 교체 하 고 게이트 밸브를 엽니다. 통풍구를 닫고 캐리어 질소를 엽니다. 수동 제어를 해제 합니다.
4. 티 오₂ 직물에 대 한 제조 법을 로드 합니다. 제조 법 1 TiCl₄ 복용량 또는 것 이다 s, 다음 40 s 건조 질소 제거 또는 물 1 복용량 s 60 s 건조 질소 다음 제거. 제조 법 300 사이클 실행을 설정 합니다.
5. 질량 유량 컨트롤러 20 cfm 및 보일 러 온도 90 ° C (84 ° C로 인터페이스)를 설정 합니다.
6. TiCl₄ 및 물 수동 밸브를 엽니다. 압력 게이지를 닫습니다. 원자로 뚜껑에 걸쇠를 교체 합니다. 인터페이스에서 시작 을 누릅니다.
7. 완료 되 면 제조 법, 압력 게이지를 엽니다. 원자로 모자에서는 걸쇠를 제거 합니다. 시스템에서 수동 제어를 켜십시오. ALD 반응 기에 캐리어 질소와 게이트 밸브를 닫습니다. 환기 질소를 엽니다.
8. 원자로 모자 및 샘플 보트를 제거. 다시 원자로 봉인.
   참고: 프로시저 수 있습니다 수 일시 중지이 시점에서.

3. Solvothermal 밀-96의 합성

1. 80 mL 유리 비 커에 H₃BTC의 0.0878 g을 추가 합니다.
2. 비 커에 H₂O의 12 mL 및 에탄올의 12 mL를 추가 합니다.
3. 10 분 동안 자석으로 또는 H₃BTC 완전히 녹아 때까지 저 어.
4. 테 플 론 줄지어 압력 용기에는 솔루션을 놓습니다.
5. Al₂O₃ 코팅 솔루션에 폴 리 프로필 렌 그것은 그릇의 하단에 대 한 평면 거짓말을 하지 않습니다 그래서 메시 지원에 패브릭 소품 추가 합니다.
6. 압력 용기를 밀봉 하 고 24 시간에 대 한 110 ° C에로.
7. 후 냉각, 직물 샘플 비 커에 메쉬 바구니에 배치 샘플 허용. 에탄올, 각각 12 h에 대 한 두 번 씻어.
8. 샘플 활성화 진공, 아래 6 h 85 ° C에서 난방 필요 진공에서 12 h 110 ° C에서 난방에 의해 따라.
   참고: 프로시저 여기 중지 될 수 있습니다. 모든 샘플은 샘플 활성화를 유지 하기 위해 desiccator에 저장 되어야 합니다.

4. Solvothermal UiO-66-NH₂ 의 합성

1. ZrCl₄ 의 0.08 g 20 mL 유리 섬광 유리병에 추가 합니다.
2. N, N-dimethylformamide (DMF) 5 mL 단위로 ZrCl₄ 의 20 mL를 추가 합니다. 증가 사이 유리병 뚜껑 하 고 가스 낭비를 허용 합니다.
3. 1 분 동안 해결책 sonicate
4. 유리병에 2-aminoterephthalic 산의 0.062 g를 추가 하 고 자석으로 5 분에 대 한 솔루션을 저 어.
5. 유리병에 이온된 수의 25 µ L를 추가 합니다.
6. 유리병에 집중 된 HCl의 1.33 mL를 추가 합니다.
7. 티 오₂ ALD 코팅된 직물 견본 솔루션에 잠수함 하 고 유리병 뚜껑.
8. 24 시간 85 ° C에로 있는 샘플을 놓습니다.
9. 후 냉각, 직물 샘플 비 커에 메쉬 바구니에 배치 샘플 허용. DMF, 에탄올, 12 h에 대 한 각각의 80 mL와 함께 3 번 12 헤 세척에 대 한 각각의 80 mL 두 번 씻어.
10. 직물 견본을 제거한 후 잔여 MOF 분말을 필터링 합니다. DMF, 에탄올, 12 h에 대 한 각각의 80 mL와 함께 3 번 12 헤 세척에 대 한 각각의 80 mL 두 번 씻어.
11. 샘플 활성화 진공, 아래 6 h 85 ° C에서 난방 필요 진공에서 12 h 110 ° C에서 난방에 의해 따라.
    참고: 프로시저 여기 중지 될 수 있습니다. 모든 샘플은 샘플 활성화를 유지 하기 위해 desiccator에 저장 되어야 합니다.

결과

설명 하기 위해 MOF/패브릭 자료, 우리 측정된 영역에 관련 된 두 개의 용어를 나타냅니다. 첫째, 예상 노출 영역, cm²_예상, 직물 견본으로 통치자, 즉측정의 거시적인 크기를 말합니다., 샘플의 영역 그림자 투영의. 관심의 두 번째 표면적은 77 공화국에서 얻은 질소 등온선에서 계산 내기 표면적 이러한 값 m²/g_직물, m²/g_MOF

토론

ALD 코팅 접착 및 MOF의 로드에 강하게 영향. 첫째, 기판 및 ALD 전조의 종류에 따라 ALD 레이어 수 있습니다 섬유, 주위 다른 외피를 형성 하거나 금속 산화물 코팅²⁰점진적 전환을 만들 섬유에 확산 합니다. 동안 퍼지는 레이어는 적절 한 조건 하에서 폴 리 프로필 렌에서 관찰 될 수 있다 단단한 껍질 면과 나일론 기판에 관찰 되었습니다. 둘째, 섬유에 확산 증 착 온도^20...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
trimethylaluminum	Strem Chemicals	93-1360
home-built ALD reactor	N/A
nitrogen cylinder	Arc3	UN1066
trimesic acid	Sigma-Aldrich	482749-500G
ethanol	Koptec	V1001
teflon lined autoclave	PARR Instrument Company	4760-1211
isotemp furnace	Fisher Scientific	F47925
Zirconium (IV) chloride	Alfa Aesar	12104
2-aminoterephthalic acid	Acros Organics	278031000
N,N-dimethylformamide	Fisher Scientific	D119-4
Hydrochloric Acid	Fisher Scientific	A481-212
Polypropylene fiber mats	N/A
Polyamide fiber mats	N/A