Las estructuras orgánicas metálicas (MOF) son una clase prometedora de materiales que tienen muchas aplicaciones como catalizadores, sensores y para almacenamiento de gas. Ampliamente estudiado durante las últimas dos décadas, Los MOF se producen normalmente mediante procesos químicos que requieren altas temperaturas y altas presiones.

Ahora, Los químicos de la Universidad de Delaware, Joel Rosenthal y Eric Bloch, informan que es posible producir materiales MOF a base de hierro directamente utilizando electricidad renovable a temperatura ambiente.

El método desarrollado por UD es 96% eficiente en el uso de electricidad para formar los materiales MOF rápidamente, de forma fiable y económica. Los investigadores de la UD informaron del avance en un nuevo artículo publicado en Ciencia Central ACS .

Según Rosenthal, profesor de química y bioquímica en la Facultad de Artes y Ciencias de la UD, Una forma sencilla de pensar en los MOF es imaginarse juguetes de juguete, donde los grupos de átomos de metal representan las ruedas de madera del juguete y las pequeñas moléculas orgánicas representan los palos delgados que conectan los grupos.

En el medio hay vacíos con un enorme potencial para el almacenamiento y las separaciones de productos químicos. Por ejemplo, una pila de material MOF del tamaño de un guisante tiene un área de superficie interna del tamaño de dos campos de fútbol que se puede usar para almacenar gases como metano o hidrógeno, separar gases y catalizar reacciones. Incluso se pueden utilizar como sensores.

"La calidad de los materiales que podemos producir es tan buena como la que cabría esperar de los mejores métodos térmicos, pero mucho más escalable y sostenible, "dijo Rosenthal, experto en electroquímica. "Nuestro descubrimiento es un gran paso adelante para hacer de los MOF una opción más práctica para muchas aplicaciones diferentes".

La electricidad impulsa la química

Un desafío que ha limitado a los MOF a los laboratorios académicos es que hacerlos a gran escala es difícil y no particularmente amigable con el medio ambiente. Entonces, Rosenthal tuvo la idea de comenzar a usar electricidad para desencadenar la síntesis de MOF. El uso de electricidad permite que la cantidad de energía introducida en un proceso sintético se ajuste fácilmente a temperatura ambiente. creando una forma más segura de hacer MOF sin las altas temperaturas, altas presiones y a veces reactivos tóxicos que se utilizan normalmente.

Conduzca hasta el pie del puente Delaware Memorial y en los lados de Delaware y Nueva Jersey verá plantas de química que son cada una del tamaño de una arena o estadio pequeño. Estas plantas albergan algunos reactores que realizan un puñado de reacciones químicas diferentes para hacer que los productos químicos sean útiles para la sociedad.

"Para llevar a cabo de manera eficiente muchos procesos químicos térmicos a escalas comerciales o de productos básicos, generalmente se requieren estas grandes huellas y una infraestructura muy costosa, pero la electroquímica proporciona una forma de romper estas reglas, ", dijo Rosenthal." No es necesario construir una planta electroquímica gigante para escalar eficientemente un método electroquímico. La electrosíntesis suele ser mucho más versátil en términos de traducción de un laboratorio académico al mercado comercial ".

La química no es tan simple como un niño sentado en la sala conectando ruedas y palos, aunque. Los avances en la síntesis de MOF hasta la fecha se han visto limitados por las combinaciones de metales que se pueden usar y los tipos de materiales sintéticos y orgánicos que se pueden combinar usando enfoques térmicos.

El documento se centra específicamente en la preparación de materiales MOF utilizando grupos de átomos de hierro. Rosenthal y Bloch no son los primeros en producir MOF de hierro. Tradicionalmente, Rosenthal explicó, los investigadores fabrican estos materiales tomando una sal de hierro (3+), una molécula orgánica y un solvente relativamente caro que se descompone bajo ciertas condiciones de reacción y lo calienta todo en un recipiente sellado a altas presiones durante al menos un día, a veces varios días, luego abrirlo y ver qué obtienen.

Por el contrario, él y Bloch comienzan con una solución que contiene disolvente, moléculas orgánicas e iones de hierro (2+), que tienen un electrón extra que cambia la forma en que se comporta el hierro. Los investigadores utilizan un electrodo hecho de carbono o de un tipo de vidrio conductor para pasar electricidad a través de la solución y alternar la carga de las partículas metálicas en la solución de hierro (2+) a hierro (3+). Es como un interruptor hacer que la plancha esté más cargada para que pueda producir el MOF de una manera directa y eficiente, sin reacciones ni efectos secundarios típicos de los métodos tradicionales de química térmica.

"Como el electrodo toma electrones del hierro, ese hierro va y encuentra un enlazador orgánico y produce algo de MOF. Es casi 100% eficiente en que cada electrón que movemos da como resultado la síntesis de MOF. No hay reacciones secundarias ni productos no deseados. "dijo Bloch, profesor asistente de química y bioquímica que se especializa en estructuras orgánicas metálicas y materiales adsorbentes.

Más lejos, si se utiliza el tipo correcto de electrodo, es posible hacer más que crear y recopilar el producto MOF. El equipo de investigación puede cultivar el material directamente sobre el sustrato conductor de electricidad, una ventaja que podría permitir el uso de MOF en varios dispositivos y soportes con patrones, poniendo a su alcance sensores MOF avanzados.

Rosenthal explicó que para convertir un MOF en un sensor se necesita una forma de interconectarlo con un soporte conductor de electricidad para obtener una lectura. Esto no es algo que la comunidad de investigadores haya descubierto cómo hacerlo bien, hasta ahora, él dijo. Sintetizar electroquímicamente y hacer crecer el MOF en el soporte de electrodo del equipo de UD proporciona una forma de cablear el MOF para una mejor comunicación entre los materiales.

Una forma en que esta tecnología podría usarse es en sensores en miniatura, tal vez en teléfonos celulares para medir la calidad del aire o para detectar partículas en el aire de manera selectiva como parte de las medidas de seguridad en los aeropuertos.

"Detectar gases y moléculas ahora puede ser bastante sencillo, similar a la forma en que funciona su detector de humo para detectar un tipo de gas sobre otro en función de su reactividad, "dijo Bloch.

La reacción electrosintética es rápida, también, provocando la formación de polvo de MOF en la solución en cuestión de minutos. Y aunque los materiales que permanecen demasiado tiempo en solución a menudo se degradan con el tiempo o se convierten en un material completamente diferente debido a reacciones secundarias, Los materiales MOF creados mediante electrosíntesis son estables y simplemente se depositan en el fondo del vial. Dado que el proceso electrosintético se realiza a temperatura ambiente, La descomposición del material es una preocupación mucho menor.

Cuanto más dura la electrólisis, cuanto mayor sea la cantidad de material MOF que se puede desviar como producto. La simplicidad del método lo hace versátil en términos de traducirlo de una mesa de laboratorio académica al mercado comercial, también, dijeron los investigadores.

Estudiante de posgrado Anna Weaver, un coautor del artículo, Solo llegó a la UD este verano, pero Rosenthal dijo que jugó un papel clave en demostrar la efectividad del método del equipo. Weaver realizó varios experimentos de última etapa que proporcionaron datos adicionales para el artículo.

"La capacidad de Anna para hacer contribuciones tan rápidamente habla tanto de su talento como de la facilidad con la que se puede llevar a cabo esta química. No es necesario aprender un arte oscuro para que esto funcione, " él dijo.

La química impulsada eléctricamente también abre la puerta a la exploración de materiales que se ha predicho que tienen excelentes propiedades para los MOF, como los basados ​​en cobalto, pero siguen siendo desconocidos porque son incompatibles con las químicas tradicionales que dependen del calor para poner en marcha la reacción.

"Como catalizadores, sabemos que ciertos metales serían fenomenales como MOF, pero los métodos normales no funcionan. Creemos que este es un camino para crear nuevos MOF que sean estables y muy reactivos con propiedades totalmente diferentes a las que hemos podido acceder antes. "dijo Bloch.

Otros coautores del artículo incluyen estudiantes graduados de la UD actuales o anteriores en los laboratorios de Rosenthal y Bloch, incluido Wenbo Wu, Gerald E. Decker y Amanda Arnoff.