Summary
本明細書にそれらの安定性および疎水性を高めるために、このような金属 - 有機骨格としての微孔性材料上にペルフルオロアルカンのプラズマ化学気相堆積のための手順が記載されている。さらに、サンプルのミリグラム量の破過試験は詳細に記載されている。
Abstract
ペルフルオロアルカンのプラズマ強化化学蒸着(PECVD)は、長い表面の濡れ性を調整するために研究されている。このような有機金属構造体(MOF)のような高表面積のマイクロポーラス材料については、固有の課題は、PECVDトリートメントには自分自身を提示。ここに条件多湿以前に不安定であったMOFの開発のためのプロトコルが提示されている。プロトコルは、(また、香港科技大学-1とも呼ばれる)のCu-BTC、ペルフルオロアルカンのPECVD、多湿条件下での材料の経年変化、および微孔性材料のミリグラム量でのその後のアンモニアmicrobreakthrough実験のCu-BTCの治療の合成を記載している。以前にPECVD法によって処理されている大部分の材料又は表面と比較した場合のCu-BTCは、極めて高い表面積(〜1800メートル2 / g)を有する。例えば、チャンバ圧力、処理時間などのパラメータは、パーフルオロアルカンプラズマが確実に浸透することが極めて重要であり、反応インナーMOF面とS。さらに、実験はここに記載のmicrobreakthroughアンモニアのプロトコルは、テストガスおよび微孔性材料、様々に利用することができる。
Introduction
有機金属構造体(MOF)は、有毒ガス除去1-3多孔質材料のリーディングクラスとなっている。 MOFは、標的化学的相互作用のための機能を調整する前例のない能力を有する。以前に例外的に高いアンモニア負荷を有することが見出されている(また、2 HKUST-1またはCu 3(BTC)としても知られる)のCu-BTCであるが、これは、材料の構造的安定性4のコストである。のCu-BTCに関するさらなる研究は、水分自体は、多くの潜在的な用途のために無効5,6,21それをレンダリングする、MOF構造を分解することができることを示している。液体の水や高湿度の存在下でのMOFを含む特定のカルボン酸の構造的な不安定性は、商業や工業用途7で使用する主要な抑止力となっている。
これは、湿度の存在下での固有の安定性を有するように化学的除去に用いられるのMOFのための最も理想的である。しかし、多くのMOMOF-74とCu-BTCのようなオープン金属部位を持つ多くのMOFは、優れた化学的除去能力2,4,8,9を持っている間、このようなUIO-66のような優れた安定性とFSは、、、貧しい化学的除去能力を持っている。 MOF-74とCu-BTCで開か金属部位は、アンモニアなどの有毒ガスの取り込みを強化するが、これらのサイトには、活性部位を汚染し、構造的な故障につながる多くの場合、水と結合しやすい。水に不安定なMOFの化学的性質を維持するために、MOFは、水安定性を高めるために様々な試みがなされている。 MOF-5は、MOFの周りに炭素層を形成することにより、熱処理の際に耐湿性の向上を有することが示されているが、疎水性の増加は、表面積および最終的に10の機能を犠牲にしてである。 MOF-5はまた、そのhydrostabilityは、Ni 2 +イオン11を用いてドーピングによって増加有することが示されている。さらに、1,4 - ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン含有(またDMOFsとしても知られる)ING MOFは、1,4 -ベンゼンジカルボキシレートリンカー12,13上の種々のペンダント基を組み込むことによって水安定性の同調を示すために使用されてきた。
MOFは、特定のhydrostabilityの不足、高い有毒ガスが吸収され、具体的なものは、その疎水性を増加させるために14 MOFの表面にフッ素化されたグループを作成するためにペルフルオロアルカンのプラズマ強化化学蒸着(PECVD)の使用につながった。この技術は、芳香族水素、並びにのMOFの内面上の他の潜在的な官能基を含有する任意のMOFを変更するために使用することができることをユニークな利点を提供する。しかしながら、この技術は、プラズマ中の高反応性ラジカルの形成を制御することは困難であることができる。ラジカルは芳香族の水素原子と反応するだけでなく、CF X基で既にMOF表面にのみ反応していない。手順の注意深い制御は、細孔BLOを確保する必要があるckageは財務省が無効レンダリング、発生しません。この技術は、炭素材料の濡れ特性を変化させるために他のユーザーによって使用されてきたが、我々の知る限り、それは、以前は微孔質材料のhydrostabilityを高めるために使用されていなかった15,16。
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Protocol
1。 CU-BTCの合成と準備
- 約5分間のキャップジャースクリューの脱イオン水12.5ミリリットルと100ミリリットル中のジメチルホルムアミド12.5ミリリットルをかき混ぜる。
- 0.87グラム(3.6ミリモル)瓶中の溶液にトリメシン酸0.50gの(2.4ミリモル)、続いて銅(II)六水和物を添加し、約5分間撹拌する。解決策は、色が青色に変わります。約24時間、120℃で予熱したオーブンで栓をしたジャーを配置します。
- オーブンからjarファイルを削除します。ジャーを室温に冷却したら、より大きい又は2.5ミクロンに等しい結晶を回収し、評価濾紙を用いて真空ろ過を介したCu-BTCの結晶を回収する。最終的にはジクロロメタンの新鮮な溶液中の結晶を配置し、ジクロロメタンで得られた結晶を洗浄します。
- 溶剤を24時間毎に交換およびCu-の細孔から低揮発性溶剤の除去を支援するために、次の3日間、新鮮なジクロロメタンで置き換えるBTC。
- 材料から残留ゲスト分子を除去するために真空オーブンで、またはシュレンク·ラインを介して170°CまでのCu-BTC結晶を加熱する。完全に活性化のCu-BTCの色は紫色に青深いなければならない。
- 粉末X線回折ビア構造およびCu-BTCの化学的構成を確認し、各々、赤外分光法フーリエ変換。
2。のCu-BTC 14ペルフルオロアルカンのプラズマ化学気相成長法
- 各実験の前にプラズマ反応器と、少なくとも30分間、50 Wでの空気プラズマでプラズマ処理に使用される任意のガラス器具を清浄。これは、反応室または前の実験からのガラス製品の内面に形成された可能性のあるペルフルオロアルカン膜を除去する。
- 250ミリリットルパイレックスボトルで活性化のCu-BTCの既知量を置き、均質な治療を確保するために、その側面にボトル全体に広がる。透過性の布の周りに配置する必要があります真空を適用する際に失われたサンプルの量を最小にするためにゴムバンドを有するボトルのネック。
- プラズマチャンバ内でボトルを置きます。チャンバーは、試料に吸着している可能性のある水を除去するために、少なくとも30分間0.20ミリバール≤圧力になるまで真空を適用します。
- パーフルオロアルカンガスを接続し、マスフローコントローラの仕様内の圧力レギュレータを調整します。
- 実験の所望の圧力を維持するためにパーフルオロアルカンガス適量の反応チャンバを充填するためにマスフローコントローラを調整する。粉末のより均一な治療を作成するためにPECVD装置内でボトルを回転させます。
- 13.56MHzのRF発生器と、反射率を最小にしながらパワーを最大化するためにLCマッチング部と同調無線周波数を用いてプラズマを照らす。治療を通して定期的に再調整。
- 処置が完了すると、任意のチャンバを排気残留パーフルオロアルカンガス、次いで大気圧にベント。 PECVD装置からサンプルを取り出して、ボトルの側面から処理された材料を回収する。帯電防止デバイスは、材料の最大量を回復するために使用されるべきである。
- 未反応のパーフルオロアルカンガスを除去するために120℃のオーブンで処理された材料を配置します。その後、大気中の水分の吸着を防止するために、デシケーター中で処理された材料を置く。
- 瓶の中に残って残留物質を洗浄し、適正処理のための廃棄物を回収するためにフィルタリングします。
- 核磁気共鳴スピニング20 Fマジック角で処理したCu-BTCを特徴付ける、赤外分光法、およびX線光電子分光法フーリエ変換。
3。湿潤条件下のCu-BTCの高齢化
- 環境室の所望の温度と相対湿度を設定し、それを平衡化させる。
- 中に均一にサンプルを広げる所望の時間のための環境室で開かれた容器と場所。
- 劣化の程度を決定するために77 KでのX線回折および窒素等温線でのCu-BTCサンプルを特徴付ける。
4。アンモニアMicrobreakthrough実験2
- 最初のきちんとしたアンモニアの210ミリリットルで、空のバラストを注入することにより、5000ミリグラム/ m 3でのアンモニアの14.6 Lバラストを準備します。その後、15 psiの圧力にゼロ空気で安定器を埋める。 microbreakthrough装置に沿った安定器を接続します。
- フィード信号を決定するmicrobreakthrough装置で素管を実行します。 20ml /分ミリグラム/ m 3でアンモニア2,000の流れを作成するために、それぞれ、8および12 ml /分にアンモニア及び乾燥空気用のマスフローコントローラを設定する。流出液中のアンモニアの供給信号を決定するために、ガスクロマトグラフおよび光イオン化検出器を制御するためのプログラム化された方法を実行する。水分がシステムに追加することができ必要な相対湿度を達成するのに必要な速度で温度制御された飽和器セルを介して希釈剤流の一部を実行して、所望の場合。
- 公称4mmの内径をガラス管中のガラスフリット以下グラスウールの少量を置く。チューブに材料の約10〜15 mgの重量を量る。使用される質量は、約0.15秒のベッドの滞留時間が得られる、約55 mm 3の体積の収着剤をもたらすはずである。
- それは、任意の吸着水を除去するために1時間150℃に加熱し、ガラス管を通して乾燥空気を流す。再生後、試料を秤量する。
- ラインでサンプルを置き、25℃に設定した水浴中で直立確保
- 供給ガスで充填ラインにサンプルを迂回して2,000ミリグラム/ m 3のアンモニアで20 ml /分の流れを作成するために、それぞれ、8および12 ml /分にアンモニア及び乾燥空気用のマスフローコントローラを設定する。
- 試料を通過したアンモニアの流れをフローとプログラムさを実行します。流出液中のアンモニア濃度を監視するためにガスクロマトグラフおよび光イオン化検出器を制御する方法。
- 排出濃度は、供給濃度に達すると、アンモニア流のスイッチを切り、試料に強く吸着されないオフガス任意アンモニアに試料を可能にする。
- X線回折を介して、露光後の分析のために水浴からサンプルを取り出して、赤外線分析フーリエ変換。
- サンプル用のアンモニア負荷を決定するために、時間データ対ガスクロマトグラフ信号を統合します。
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Representative Results
代表的な結果の中に著者は、4 0.30ミリバールの圧力でHRとで処理された50 W.のMOFのプラズマ出力のために、(C 2 F 6)、ヘキサフルオロエタンで処理されたのCu-BTCの0.50グラムサンプルの特性を表示することにしました適切な条件の下でパーフルオロアルカンプラズマが強化された疎水性を表示する必要があります。これは、液体の水の上に粉末を配置し、 図1に見られるように、試料が浮くまたは圧縮ペレット上の接触角を測定する水かどうかを決定することによって実証することができる。のCu-BTCおよびCu-BTCペレットを処理したC 2 F 6プラズマに対する接触角がそれぞれ、59°および123°であると測定された。 CFの存在は、細孔の表面にグループをX水をはじくための材料を起こす材料の疎水性に追加されます。
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図1。水に分散させたCu-BTCの写真(上、左)とC 2 F 6プラズマは、Cu-BTCの反発で処理した水の上(下、左)に浮かぶ。のCu-BTC(上、右)とCの接触角の画像2 F 6プラズマは水の2液滴のCu-BTC(下、右)を処理した。
CF結合の存在は1,300-1,140 cm -1の17、図2に見られるように、減衰全反射フーリエ変換赤外分光法(ATR-FTIR)の結果、中帯域間のスペクトルによって示される。 CFのフッ素化および確認の程度は、種型は、図3に見られるように、20 Fマジックアングルスピニング(MAS)核磁気共鳴(NMR)を用いて行われ、又はX線光電子分光法(XPS)することができるX。このサンプルで観察された二つの主要なフッ素種はδ〜-152でのδ〜-87 ppmおよびCFでCF 2基であり、PPM 18。小さ なピークがCF 3基を表す、δ〜-80 ppmにあります。他のすべての重要なピークはスピニングサイドバンド親ピークからおよそ9 kHzの間隔を表している。 CF Xのグループは、おそらく財務省の内面と反応した基の組み合わせだけでなく、MOF結晶の外側にアモルファスコーティングです。 CF 2及びCF種のためのスピニングサイドバンドの大きなサイズと量は、これらのCF X基が緊密にCu-BTC構造に結合させ、19相対的に不動であることを示している。
図2。のCu-BTC(青、下)とC 2 FのATR-FTIRスペクトルのCu-BTC(トップ赤、)で処理した。CFが広がっ6プラズマは、1300と1140センチメートル-1間のIRバンドとして見ることができます。
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図3 20。のCu-BTCで処理C 2 F 6プラズマのF MAS NMRスペクトルを示す 。スピニングサイドバンドは、アスタリスク(*)で標識されている。
のCu-BTCサンプル処理したCu-BTC、およびC 2 F 6プラズマが急速に三日間45℃、100%RHで老化させた。 X線回折(XRD)パターン( 図4)は未処理のサンプルの構造におけるほぼ完全な変化を示しているが、プラズマ処理された試料が構造中の最小の変化を示す。結果は、過酷な湿度条件下で増強構造安定性の指標である。パーフルオロアルカンプラズマで処理されたCu-BTCの安定性の向上の分析は、他の場所で、深さ14で説明されています。
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図4。 X線回折3日間(青、中央)、45℃、100%RHでのCu-BTC中年のCu-BTC(黒、下)のパターン、およびC 2 F 6プラズマは、Cu-BTC 45℃で熟成させ、100扱わ3日間(赤、上)のため%RH。
microbreakthrough分析のために用いられる装置の概略図を図5に見出すことができる。熟成のCu-BTC及びC 2 F Microbreakthroughの試験は2,000ミリグラム/ m 3の濃度のNH 3で処理するための6のCu-BTCサンプルは、図6に示されている。破過曲線上の統合は、Cu-BTC扱わC 2 F 6プラズマのアンモニア/ gを1.1のCu-BTCのアンモニア/ gを添加し、5.3ミリモルの容量が得られます。エージング後のCu-BTC試料プラズマ処理の増強アンモニアの取り込みは、高齢のCu-BTC試料と比較して、元のCu-BTCの結晶構造の保持に起因する。
図5。のCu-BTCサンプルのアンモニア画期的な分析に使用microbreakthrough装置の概略。参照13からの許諾を得て再掲した図。
図6。アンモニア画期的たCu-BTC(青)の曲線とC 2 F 6プラズマを使用した試料の質量で規格化した時間を画期的に関連して測定された流出濃度を示したのCu-BTC(赤)を処理した。
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Discussion
のCu-BTCの合成は、ほとんどのMOFのように、使用される反応物の比および合成で実施される温度に大きく依存することができる。合成に使用される温度又は溶媒をMOF構造20の別の形態を産生することが示されている変える。したがって、任意のMOF合成されるために、文献に記載された手順に従うことが強く重要である。合成を実施するには、容器を選択する際に、さらに、1は、反応物、溶媒、及び合成条件を検討する必要があります。 MOFは一つの材料から次のサイズの範囲ですることができますがのCu-BTCは10程度で、非常に微細な結晶を持っています。濾過工程のために選択されたフィルタ紙は収率を最大にするために2.5ミクロンと小さい結晶を回収するのに十分であるべきで、真空ろ過工程は、例えば、微細な濾紙でゆっくりと進むことができる。さらに、活性化工程中に170まで徐々に温度を上げることが重要である°Cは、あまりにも急速に温度を上げることは、結晶のMOFの微孔構造やクラックの破壊をもたらす可能性を有する。
ペルフルオロアルカンのPECVDは、水分解14に別段傾向があるのMOFの水安定性を高めることが示されている。 PECVD機器を操作する場合ただし、多くの複雑があります。そこに、フッ化水素、またはその他の腐食性ガスを形成するために、任意のパーフルオロアルカン、プラズマ処理における潜在的であり、特別なケアは、これらの有害な種への利用者および機器を保護するために注意する必要があります。真空ポンプは、腐食性ガスとの互換性が必要です。、すべてのチューブ、バルブ、マスフローコントローラとの接続は、ステンレス鋼や他の耐腐食性材料で構成する必要があり、楽器からユーザーを保護し、すべてのシールは、定期的に点検しなければならない。さらに、時計を停止させる能力、ERの可能性を含む、RF発生器に関連する危険性がありますそれが実行されている間asing磁気媒体、およびペースメーカーで無い方は、プラズマ装置に接近するものとします。酸素プラズマを実行して、定期的にプラズマ装置の洗浄は、以前の実験から、プラズマチャンバ内で形成することができる任意の膜を除去する必要がある。 50 Wの空気プラズマは明るいピンクカラーグロー必要があります。
PECVDを介して、粉末の処置は、平坦なウェハまたは他の材料を処理すると大きく異なっていてもよい。均質な治療を確保するために、粉末は、回転ガラス瓶全体に分散されなければならない。低密度を有するか、または非常に微細な粒子である粉末の場合、透過性の上面は、真空が適用されるとき、粉末がボトルに残っていることを保証するために、ガラスボトル上に置かれる必要がある。などのMOFのような多孔性材料は、一般的に大気中から定期的に水分を物理吸着。これは、MOを確保するためにペルフルオロアルカンガスを導入してプラズマを点灯する前に十分な時間、真空を適用することが重要となるF面は、ペルフルオロアルカン種と反応する。のCu-BTCは、物理吸着水が完全に除去されたことを示すために使用することができる(脱水)深紫色の(水和)、ライトブルーから比色変化を有する。これは、微孔質材料、パーフルオロアルカンガスシステムのための理想的な治療法を決定することが重要である、このような材料の量は、パーフルオロアルカンガスの圧力、プラズマ電力、処理時間などの要因の全ては、プロセスの全体的な結果に影響を与える。例えば、治療される材料の量の増加は、同様の結果を達成するための処理の増加を必要とする。また、プラズマ電力の増加は、より多くのペルフルオロアルカンラジカルを生成し、より速い堆積および/ または材料21上に形成された異なる種をもたらすことができる。
microbreakthrough分析の背後にある理論は、文献2で説明されている。ロードするときに特別な注意を払う必要があるガラス管にサンプル。管に充填されているサンプルのわずか10〜15 mgの1は、あらゆる汚染物質を導入し、手袋をした試料管を処理しないなど、計量には非常に正確であることに注意する必要があります。チューブの周囲に吹き飛ばされ粉末試料を回避するためにフローが上から下にある必要があります。動的ロードは、ロードがソルビン酸濃度および温度によって変化し、破過曲線の積分により算出することができる。吸着等温線と吸着容量を測定することに関しては、画期的な技術は、等温上の一点を表す、実験ごとに単一の濃度のソルビン負荷の決定を可能にする。しかし、画期的な技術は、より密接に、実際のろ過タイプのアプリケーションを模倣。
perfluoralkanesと微孔性材料のPECVDは、多くの分野で可能性を開きます。私たちは、フルオロカーボンで表面を処理するヴェッティンを変更する方法を示していますG特性とのMOFのhydrostability。パーフルオロアルカン、プラズマ処理された材料の表面は、未処理の材料とは異なる官能基を有するようにさらにこの技術は、微孔性材料の吸着特性を変更するために使用することができる。この技術は、他の微孔性の様々な材料、ならびに他の前駆体ガスの様々な拡張に適用することができる。
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Disclosures
著者は、彼らが競合する経済的利益を持っていないことを宣言します。
Acknowledgments
著者はの低圧プラズマ技術における専門知識のためのプロジェクト数BA07PRO104、マーティン·スミス、コリーヌ·ストーン、防衛科学技術研究所(DSTL)のコリン·ウィリスの下での資金調達のための国防脅威削減局に感謝し、そしてマシューBroweとウェズリー·ゴードンそれぞれmicrobreakthroughテストと接触角測定用のエッジウッド化学生物学センター(ECBC)。
Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Copper (II) Nitrate Trihydrate | Sigma-Aldrich | 61194 | |
Trimesic acid | Sigma-Aldrich | 482749 | |
Ethanol | Sigma-Aldrich | 130147 | |
Dimethyl Formamide | Sigma-Aldrich | 319937 | |
Dichloromethane | Sigma-Aldrich | 187332 | |
Hexafluoroethane | Synquest Labs | 1100-2-05 | |
Femto-Plasma System | Diener Electronic | Basic unit type B | |
Plasma Generator | Diener Electronic | Type D | 0-100 W at 13.56 MHz |
Rotary Vane Pump for Plasma System | Leybold | D16BCS PFPE | Appropriate for corrosive gases |
Powder Treatment Device | Diener Electronic | Option 5.9 | Glass bottle and rotating devise within plasma system |
Environmental Chamber | Associated Environmental Systems | HD-205 | |
Gas Chromatograph | Hewlet Packard | HP5890 Series II | |
Photoionization Detector | O-I Analytical | 4430/5890 | |
Photoionization Detector Lamp | Excilitis | FK-794U | |
Water bath | NESLAB | RTE-111 | |
Fritted glass tubes | CDA Analytical | MX062101 | Dynatherm sampling tubes |
References
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