Les charpentes organiques métalliques (MOF) sont une classe prometteuse de matériaux qui ont de nombreuses applications en tant que catalyseurs, capteurs et pour le stockage de gaz. Largement étudié au cours des deux dernières décennies, Les MOF sont généralement produits à l'aide de procédés chimiques qui nécessitent une chaleur et une pression élevées.

Maintenant, Les chimistes de l'Université du Delaware, Joel Rosenthal et Eric Bloch, rapportent qu'il est possible de produire des matériaux MOF à base de fer directement en utilisant de l'électricité renouvelable à température ambiante.

La méthode développée par UD est efficace à 96% dans l'utilisation de l'électricité pour former rapidement les matériaux MOF, de manière fiable et économique. Les chercheurs de l'UD ont rapporté l'avancée dans un nouvel article publié dans ACS Science centrale .

Selon Rosenthal, professeur de chimie et de biochimie au Collège des Arts et des Sciences de l'UD, un moyen facile de penser aux MOF est d'imaginer des jouets bricoleurs, où des grappes d'atomes de métal représentent les roues en bois du jouet et de petites molécules organiques représentent les bâtons grêles qui relient les grappes entre elles.

Entre les deux se trouvent des vides avec un potentiel énorme pour le stockage et les séparations chimiques. Par exemple, un tas de matériau MOF de la taille d'un pois a une surface interne de la taille de deux terrains de football qui peut être utilisée pour stocker des gaz comme le méthane ou l'hydrogène, séparer les gaz et catalyser les réactions. Ils peuvent même être utilisés comme capteurs.

"La qualité des matériaux que nous pouvons produire est à la hauteur de ce que vous pouvez attendre des meilleures méthodes thermiques, mais beaucoup plus évolutif et durable, " dit Rosenthal, un expert en électrochimie. "Notre découverte est un grand pas en avant pour faire des MOF une option plus pratique pour de nombreuses applications différentes."

L'électricité entraîne la chimie

Un défi qui a contraint les MOF aux laboratoires universitaires est que leur fabrication à grande échelle est difficile et pas particulièrement respectueuse de l'environnement. Donc, Rosenthal a eu l'idée de commencer à utiliser l'électricité pour déclencher la synthèse des MOF. L'utilisation de l'électricité permet d'ajuster facilement la quantité d'énergie introduite dans un procédé de synthèse à température ambiante, créer un moyen plus sûr de fabriquer des MOF sans les températures élevées, hautes pressions et parfois des réactifs toxiques qui sont normalement utilisés.

Conduisez jusqu'au pied du Delaware Memorial Bridge et des côtés du Delaware et du New Jersey, vous verrez des usines de chimie qui ont chacune la taille d'une petite arène ou d'un stade. Ces usines abritent quelques réacteurs qui effectuent une poignée de réactions chimiques différentes pour fabriquer des produits chimiques utiles à la société.

« Pour exécuter efficacement de nombreux procédés chimiques thermiques à des échelles commerciales ou de produits de base, il faut généralement ces grandes empreintes et une infrastructure très coûteuse, mais l'électrochimie offre un moyen de briser ces règles, " a déclaré Rosenthal. " Vous n'avez pas besoin de construire une usine électrochimique géante pour développer efficacement une méthode électrochimique. L'électrosynthèse est souvent beaucoup plus polyvalente en termes de traduction d'un laboratoire universitaire vers le marché commercial."

L'alchimie n'est pas aussi simple qu'un enfant assis dans le salon reliant des roues et des bâtons, bien que. Les progrès de la synthèse MOF à ce jour ont été limités par les combinaisons de métaux qui peuvent être utilisées et les types de matériaux synthétiques et organiques qui peuvent être combinés à l'aide d'approches thermiques.

L'article se concentre spécifiquement sur la préparation de matériaux MOF à l'aide d'amas d'atomes de fer. Rosenthal et Bloch ne sont pas les premiers à fabriquer des MOF en fer. Traditionnellement, Rosenthal a expliqué, les chercheurs fabriquent ces matériaux en prenant un sel de fer (3+), une molécule organique et un solvant relativement coûteux qui se décompose dans certaines conditions de réaction et en chauffant le tout dans un récipient scellé à haute pression pendant au moins une journée, parfois plusieurs jours, puis ouvrez-le et voyez ce qu'ils obtiennent.

Par contre, lui et Bloch commencent par une solution contenant du solvant, molécules organiques et ions fer (2+), qui ont un électron supplémentaire qui modifie le comportement du fer. Les chercheurs utilisent une électrode en carbone ou en un type de verre conducteur pour faire passer l'électricité à travers la solution et basculer la charge des particules métalliques dans la solution du fer (2+) au fer (3+). C'est comme un interrupteur, rendre le fer plus chargé afin qu'il puisse produire le MOF d'une manière directe et efficace, sans réactions secondaires ni effets typiques des méthodes de thermochimie traditionnelles.

"Comme l'électrode prend des électrons du fer, ce fer va trouver un lieur organique et fait du MOF. C'est presque 100% efficace, en ce que chaque électron que nous déplaçons entraîne une synthèse MOF. Il n'y a pas de réactions secondaires ou de produits indésirables, " dit Bloch, un professeur adjoint de chimie et de biochimie qui se spécialise dans les charpentes organiques métalliques et les matériaux adsorbants.

Plus loin, si le bon type d'électrode est utilisé, il est possible de faire plus que créer et collecter le produit MOF. L'équipe de recherche peut faire croître le matériau directement sur le substrat électriquement conducteur, un avantage qui pourrait permettre d'utiliser les MOF dans divers dispositifs et supports à motifs, mettant à portée de main des capteurs MOF avancés.

Rosenthal a expliqué que pour transformer un MOF en capteur, vous avez besoin d'un moyen de l'interconnecter avec un support électriquement conducteur pour obtenir une lecture. Ce n'est pas quelque chose que la communauté des chercheurs avait trouvé comment bien faire, jusqu'à maintenant, il a dit. La synthèse électrochimique et la croissance du MOF sur le support d'électrode de l'équipe UD offrent un moyen de câbler le MOF pour une meilleure communication entre les matériaux.

Une façon dont cette technologie pourrait être utilisée est dans les capteurs miniatures, peut-être dans les téléphones portables pour mesurer la qualité de l'air ou pour détecter sélectivement les particules dans l'air dans le cadre des mesures de sécurité dans les aéroports.

"Détecter les gaz et les molécules peut maintenant être assez simple, similaire à la façon dont fonctionne votre détecteur de fumée pour détecter un type de gaz par rapport à un autre en fonction de sa réactivité, " dit Bloch.

La réaction électrosynthétique est rapide, trop, provoquant la formation de poudre de MOF dans la solution en quelques minutes. Et tandis que les matériaux qui restent trop longtemps en solution se dégradent souvent avec le temps ou deviennent un matériau entièrement différent en raison de réactions secondaires, Les matériaux MOF créés par électrosynthèse sont stables et se déposent simplement au fond du flacon. Étant donné que le processus électrosynthétique est effectué à température ambiante, la décomposition des matériaux est beaucoup moins préoccupante.

Plus l'électrolyse dure longtemps, plus la quantité de matériau MOF qui peut être siphonnée en tant que produit est importante. La simplicité de la méthode la rend polyvalente en termes de traduction d'un banc de laboratoire académique au marché commercial, trop, les chercheurs ont dit.

Étudiante diplômée Anna Weaver, un co-auteur sur le papier, n'est arrivée à l'UD que cet été, mais Rosenthal a déclaré qu'elle avait joué un rôle clé dans la démonstration de l'efficacité de la méthode de l'équipe. Weaver a mené plusieurs expériences à un stade avancé qui ont fourni des données supplémentaires pour l'article.

"La capacité d'Anna à apporter des contributions si rapidement témoigne à la fois de ses talents et de la facilité avec laquelle cette chimie peut être réalisée. Il ne faut pas apprendre un art sombre pour que cela fonctionne, " il a dit.

La chimie électrique ouvre également la porte à l'exploration de matériaux qui auraient d'excellentes propriétés pour les MOF, tels que ceux à base de cobalt, mais restent inconnus car incompatibles avec les chimies traditionnelles qui reposent sur la chaleur pour déclencher la réaction.

« En tant que catalyseurs, nous savons que certains métaux seraient phénoménaux en tant que MOF, mais les méthodes normales ne fonctionnent pas. Nous pensons que c'est une voie pour créer de nouveaux MOF stables et très réactifs avec des propriétés totalement différentes de celles auxquelles nous avons pu accéder auparavant, " dit Bloch.

Les autres co-auteurs de l'article incluent des étudiants diplômés actuels ou anciens de l'UD dans les laboratoires de Rosenthal et de Bloch, dont Wenbo Wu, Gerald E. Decker et Amanda Arnoff.