Hoá học vật liệu

MOF, COF

So sánh khung cơ kim và khung hữu cơ cộng hoá trị như vật liệu xốp tinh thể mô-đun, tập trung vào thiết kế reticular, đặc trưng hoá, chức năng và độ bền.

1 THCS 2 THPT 3 Đại học 4 Nâng cao 5 Nghiên cứu

Trực giácLắp ghép chất rắn xốp từ các cấu kiện phân tử

Hãy hình dung các nút nối bằng linker: chọn cấu kiện cho phép điều chỉnh môi trường lỗ mà vẫn giữ mạng lặp lại. Ưu thế thiết kế là tính mô-đun; thách thức là tinh thể thật có thể chứa khuyết tật, lỗ linh động và cấu trúc phụ thuộc dung môi.

Hình học lỗ khung mạng hình thành từ chiều dài linker, số phối trí nút và topology mạng; thể tích rỗng danh nghĩa không tự quyết định độ xốp tiếp cận được.

Phổ thôngHoá học khung mạng

Định nghĩa: Khung cơ kim (MOF)

Mạng phối trí tinh thể gồm ion/cụm kim loại (nút) nối bởi linker hữu cơ đa điểm, có thể giữ độ xốp bền sau khi loại khách. Danh tính linker, hình học nút và độ liên thông xác định khung mạng, không phải hỗn hợp đơn giản các thành phần.

Định nghĩa: Khung hữu cơ cộng hoá trị (COF)

Mạng tinh thể xốp được lắp từ cấu kiện hữu cơ nối bằng liên kết cộng hoá trị bền. Tổng hợp reticular dùng đơn vị phân tử có hình học xác định và phản ứng tạo liên kết thuận lợi cho kết tinh để thu cấu trúc trật tự.

Đối chiếu các họ khung mạng
Đặc điểm	MOF / COF
Liên kết chính	Liên kết phối trí / liên kết cộng hoá trị
Thông số thiết kế	Nút kim loại, linker, topology / đỉnh hữu cơ, kiểu nối, xếp lớp
Rủi ro chính	Hư hại khi hoạt hoá, nhạy ẩm, khuyết tật / độ kết tinh, rối loạn xếp lớp, bền hoá học

Thiết kế reticular có thể tạo họ vật liệu đẳng mạng, thay đổi có hệ thống chiều dài linker hoặc nhóm chức. Tuy nhiên topology dự đoán không được đảm bảo: sản phẩm động học, đan xen mạng, đa hình và khuyết tật có thể làm lệch tổng hợp.

Đại họcĐộ xốp, hấp phụ và hoạt hoá

q_{\mathrm{ex}}=q_{\mathrm{abs}}-\rho_{\mathrm{bulk}}V_{\mathrm{pore}}

Dung lượng hấp phụ phải xác định là tuyệt đối hay dư: lượng hấp phụ dư trừ đi lượng lưu chất khối chiếm thể tích lỗ đã chọn. Hoạt hoá loại phân tử khách, nhưng hút chân không quá mạnh có thể làm sụp khung linh động hoặc đổi tâm phối trí; cần báo cáo điều kiện và kiểm tra cấu trúc.

Ví dụ: Chọn phép thử độ bền

Lời giải

Chưa đủ. Cần thử chu kỳ ẩm dài hạn, hấp phụ cạnh tranh, biến thiên áp suất và nhiệt, độ xốp còn lại và hiệu năng tách trong điều kiện phù hợp. Nhiễu xạ có thể không phát hiện hư hại phối trí cục bộ hoặc phần vô định hình.

Nâng caoKhuyết tật và khung đáp ứng

Thiếu linker hay nút có thể tạo tâm kim loại mở và điều chỉnh hấp phụ, nhưng khó định lượng khuyết tật và chúng có thể làm giảm độ bền cơ học hoặc thuỷ phân. Khung linh động có thể đóng mở, hô hấp hoặc đổi pha theo áp suất khách; đẳng nhiệt cân bằng có thể che khuất trễ và rào cản động học.

Nghiên cứuBiên giới nghiên cứu

Tài liệu tham khảo

Reticular Synthesis and the Design of New Materials · O. M. Yaghi, M. O’Keeffe, N. W. Ockwig, H. K. Chae, M. Eddaoudi, J. Kim, 2003
Porous, Crystalline, Covalent Organic Frameworks · A. P. Côté, A. I. Benin, N. W. Ockwig, M. O’Keeffe, A. J. Matzger, O. M. Yaghi, 2005
The Atom, the Molecule, and the Covalent Organic Framework · C. S. Diercks, O. M. Yaghi, 2017