Nagrodzone tegorocznym Noblem z chemii struktury metaloorganiczne o wyjątkowych właściwościach są otrzymywane m.in. w Wojskowej Akademii Technicznej. Do otrzymywania MOF-ów stosujemy metodę mechanochemiczną – mówi prof. dr hab. inż. Jerzy Choma z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT.
Tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii otrzymali Susumu Kitagawa (Japonia), Richard Robson (Australia) i Omar M. Yaghi (USA) za opracowanie porowatych struktur metaloorganicznych (MOF – metal-organic frameworks).
Jak wyjaśnia prof. Jerzy Choma, nowa klasa krystalicznych materiałów porowatych ma bardzo interesujące właściwości fizykochemiczne, a możliwości ich praktycznego zastosowania są olbrzymie. – Za ich pomocą można adsorbować dwutlenek węgla, oczyszczać wodę z substancji niebezpiecznych, magazynować wodór, a nawet dostarczać leki do organizmu człowieka – wylicza ekspert WAT.
Ekologiczny i skuteczny proces mielenia
Prof. Jerzy Choma wskazuje, że MOF-y można otrzymać wieloma metodami. Wymienia tu metodę solwotermalną, reakcje wspomagane promieniowaniem mikrofalowym czy ultradźwiękami, syntezę mechanochemiczną oraz elektrochemiczną. Masowa produkcja MOF-ów jest nadal ograniczona, głównie ze względu na mało ekologiczne i złożone metody syntezy. „Zielonych” alternatyw poszukują naukowcy w wielu laboratoriach na świecie.
W Instytucie Chemii WAT naukowcy otrzymują „noblowskie” materiały od kilku lat w mechanicznym procesie mielenia. W ocenie prof. Chomy, mechanochemia oferuje wydajną i przyjazną dla środowiska metodę syntezy różnych MOF-ów. Badacz współpracuje w tym obszarze m.in. z prof. Mieczysławem Jarońcem z Kent State University w Ohio (USA). Polscy eksperci uważają, że szybka i mało rozpuszczalnikowa mechanosynteza jest skuteczną i ciekawą metodą otrzymywania tych zaawansowanych materiałów porowatych.
– Typowa reakcja mechanochemiczna opiera się na procesie mielenia. Mielenie stałych substratów zwykle polega na zapewnieniu lepszego kontaktu między substratami. Reakcja zachodzi w wyniku zmniejszenia wymiaru cząstek, dokładnego wymieszania reagentów, tworzenia świeżej powierzchni do kontaktu, a także ogrzewania reagentów wskutek tarcia – tłumaczy prof. Choma.
Ekspert zaznacza, że podczas procesu mielenia ciał stałych reakcja może zachodzić tylko na powierzchni reagentów, a nie w całej ich objętości. Dlatego kluczowe znaczenie ma generowanie świeżych, aktywnych powierzchni, na których cząsteczki mogą się kontaktować i reagować.
W laboratorium Zakładu Chemii w WAT naukowcy otrzymali metodą mechanochemiczną następujące materiały: MOF-303, ZIF-8, UiO-66 i CuBTC.
Sposób na magazynowanie wodoru i nie tylko
Jak tłumaczy prof. Choma, spektrum zastosowań związków metaloorganicznych ciągle się rozszerza i obejmuje różne dziedziny, począwszy od magazynowania lub usuwania gazów do wykorzystywania tych materiałów do budowy czujników chemicznych oraz luminoforów, także do stosowania ich w medycynie jako nośników leków.
– Ze względu na bardzo dobre właściwości adsorpcyjne, rekordowo duże powierzchnie właściwe i duże objętości porów, związki te są intensywnie badane między innymi jako adsorbenty do usuwania bądź magazynowania gazów, na przykład dwutlenku węgla, wodoru czy metanu – mówi chemik z WAT.
Podkreśla, że MOF-y tym różnią się od innych adsorbentów, że ich struktura porowata może się zmienić pod wpływem bodźców zewnętrznych. Można też dopasować wymiary porów do wymiarów adsorbowanej cząsteczki.
– W celu zwiększenia pojemności adsorpcyjnej, sieci metaloorganiczne poddawane są często aktywacji, polegającej np. na usunięciu cząsteczek rozpuszczalnika pozostałego po syntezie w porach. Zwiększenie adsorpcji na MOF-ach można też osiągnąć poprzez modyfikację tych materiałów (w trakcie syntezy lub po syntezie). Modyfikacja umożliwia kontrolę ich właściwości fizykochemicznych, ale przede wszystkim optymalizację struktury porowatej – dodaje naukowiec.
Jak przypomina prof. Choma, MOF-y są zbudowane z jonu metalu (węzła metalicznego) oraz ligandów organicznych (łączników/mostków) połączonych wiązaniem koordynacyjnym. Są to materiały znane od ponad dwudziestu lat, a liczba otrzymywanych hybryd organiczno-nieorganicznych (MOF) rośnie z roku na rok.
Naukowiec był kierownikiem m.in. projektu badawczego pt. „Otrzymywanie i badanie adsorpcyjnych właściwości hybrydowych materiałów MOF-grafen” finansowanego przez NCN.
Źródło: www.naukawpolsce.pl, fot. Wikimedia Commons/ TonyBoehle/ CC BY-SA 3.0. Na zdjęciu schemat MOF-a na przykładzie materiału IRMOF-1, zbudowanego z klastrów cynkowych oraz linkerów tereftalowych. Kolorem żółtym i pomarańczowym zaznaczono pory występujące w tym materiale.
