Charpentes métallo-organiques, ou MOF, sont composés d'ions métalliques périodiquement entourés de molécules de pontage organiques, et ces cadres cristallins hybrides présentent une structure creuse en forme de cage. Ce motif de structure unique offre un grand potentiel pour une gamme d'applications dans le stockage d'énergie, transformations chimiques, optoélectronique, détection chimique, et (photo)électrocatalyse, entre autres. Lancé au début des années 2000, Les MOF sont un nanomatériau fascinant. Bien que de nombreuses applications exploitent les MOF, on sait peu de choses sur le fonctionnement de l'oxygène dans la synthèse des MOF.

Dirigé par le directeur Rodney S. Ruoff et le chimiste principal Dr Yi Jiang, des chimistes du Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM) au sein de l'Institute for Basic Science (IBS) situé à l'Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) en collaboration avec leurs collègues de l'UNIST et de l'Université Sungkyunkwan (SKKU) ont identifié comment l'oxygène affecte la synthèse d'un nouveau MOF; cuivre 1, 3, 5-triamino-2, 4, Charpente organométallique 6-benznétriol [Cu 3 (TABTO) 2 -MOF]. Leurs conclusions ont été publiées dans un article récent du Journal de l'American Chemical Society .

"Comme les ligands organiques redox-actifs sont généralement sensibles à l'oxygène, la présence d'oxygène n'est pas favorisée dans de nombreuses réactions organiques. Cependant, l'oxygène peut être utile pour la synthèse de certains MOF à base de ligands redox-actifs, mais beaucoup de chimistes ne s'en rendaient pas compte, " note le Dr Yi Jiang, le premier auteur de l'étude. Les chercheurs ont synthétisé un conjugué 2-D de type MX2Y2 (M =métal, X, O =N, S, , et X ≠ Y) Cu 3 (TABTO) 2 -MOF basé sur un ligand redox-actif (1, 3, 5-triamino-2, 4, 6-benzènetriol). Le rôle de l'oxygène dans la synthèse de ce MOF a été identifié en comparant les résultats d'expériences dans l'air et le gaz inerte (argon) :Pure Cu 3 (TABTO) 2 -MOF a été produit en présence d'oxygène, mais le Cu 3 (TABTO) 2 -MOF avec le cuivre métallique a été formé si l'oxygène était absent. Le Dr Jiang ajoute, "Notre étude suggère que l'oxygène empêche ces ligands de réduire les ions Cu (I et II) en Cu métal, facilitant la synthèse d'un MOF pur."

Ils ont également révélé que Cu 3 (TABTO) 2 -MOF est devenu électriquement conducteur après avoir été oxydé chimiquement par l'iode en raison de la formation de CuI et de porteurs. C'est à l'origine un isolant avec presque aucune conductivité électrique. Le dopage à l'iode génère 0,78 siemens par centimètre de conductivité électrique dans le Cu 3 (TABTO) 2 -Palette MOF qui a été synthétisée dans l'air. D'autres expériences et analyses ont révélé les caractéristiques métalliques des matériaux.

Modélisation de la structure via des calculs détaillés de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), les chercheurs ont également étudié expérimentalement la structure de ce MOF 2D par diffraction des rayons X, réflexion diffuse UV-vis, photoélectron à rayons X, résonance paramagnétique électronique, et les spectroscopies Raman.

"Nos travaux ont contribué à une compréhension fondamentale du rôle de l'oxygène dans la synthèse de MOF à base de ligands redox-actifs, et devrait inspirer la communauté à accorder plus d'attention au rôle que l'oxygène peut jouer dans la synthèse des MOF à base de ligands redox-actifs, " dit le directeur Rodney S. Ruoff, l'auteur correspondant de l'étude. Le Dr Jiang explique en outre, "La plupart des travaux dans ce domaine ont porté sur la synthèse de type MX4 (M =métal, X =N, , ou S) des MOF basés sur des ligands redox-actifs. La synthèse de nouveaux MOF électriquement conducteurs qui ne sont pas du type MX4 est un travail à la fois stimulant et significatif. Le Cu tel que synthétisé et dopé à l'iode 3 (TABTO) 2 -Les MOF pourraient être utiles dans les applications de catalyse et liées à l'énergie."