Synthèse de structures organométalliques monocristallines cœur-coquille
10 février 2023
Ici, nous démontrons un protocole pour la synthèse en deux étapes de coquilles de noyau monocristallin à l’aide d’une paire de structures métallo-organiques (MOF) non isostructurales, HKUST-1 et MOF-5, qui ont des réseaux cristallins bien assortis.
Notre protocole suggère la possibilité de synthétiser divers MOF cœur-coquille appariés au réseau, et peut être étendu à plusieurs paires. La paire MOF non isostructurale peut être intégrée dans des MOF cœur-coquille monocristallins avec une interface transparente par la réaction solvothermique. En utilisant des MOF avec différents pro-environnement, il est possible de concevoir et de synthétiser des matériaux cœur-coque pour une séparation efficace des gaz ou une application catalytique.
Pour commencer, ajoutez 4,72 grammes de nitrate de cuivre hémi-pentahydraté dans un erlenmeyer de 100 millilitres et dissolvez-le dans 60 millilitres d’eau déminéralisée et de mélange de DMF. Faites tourner la fiole manuellement. Placez six millilitres de cette solution dans un flacon de 20 millilitres.
Ensuite, ajoutez 1,76 gramme d’acide 1, 3, 5-benzènetricarboxylique et 22 millilitres d’éthanol dans un erlenmeyer de 50 millilitres et remuez la solution à 90 degrés Celsius sur une plaque chauffante jusqu’à dissolution. Ajouter 2,2 millilitres de cette solution dans le flacon contenant la solution préparée précédemment et ajouter immédiatement 12 millilitres d’acide acétique. Fermez le couvercle du flacon et placez-le dans un four à convection chauffé à 55 degrés Celsius pendant 60 heures.
Décanter la liqueur mère. Lavez les cristaux en ajoutant d’abord de l’éthanol frais dans le flacon à l’aide d’un compte-gouttes, puis en le retirant. Lavez les cristaux deux fois de plus.
Pour la synthèse cœur-coquille, conservez les cristaux cubiques de HKUST-1 dans un flacon de 20 millilitres rempli de solvant N, N-diéthylformamide ou DEF. Ajoutez 0,760 gramme de nitrate de zinc hexahydraté et 10 millilitres de FED dans un flacon de 20 millilitres et dissolvez-le à l’aide d’un sonicateur. De même, dissoudre 0,132 gramme d’acide téréphtalique dans 10 millilitres de FED dans un flacon de 20 millilitres.
Mélangez le volume total des deux solutions dans un bocal en verre de 35 millilitres. Pesez rapidement les cristaux de HKUST-1 filtrés et placez-les dans le bocal en verre contenant la solution mélangée. Fermez hermétiquement le pot avec un bouchon en silicone.
Après avoir bien étalé les cristaux HKUST-1 au fond du bocal en verre, placez le bocal dans un four à convection et chauffez à 85 degrés Celsius pendant 36 heures. Décantez la liqueur mère et lavez les cristaux résultants en ajoutant d’abord du FED frais dans le bocal, puis en retirant le DEF. Lavez les cristaux deux fois de plus.
Pour l’échange de solvant, jetez le solvant de stockage et le FED du flacon contenant HKUST-1@MOF-5 et ajoutez le dichlorométhane dans le flacon. Agitez-le manuellement pour un échange efficace et changez le solvant dichlorométhane trois à quatre fois toutes les quatre heures. Les modèles de structure de calcul pour le système HKUST-1@MOF-5 aux plans 001 et 111 sont présentés ici.
Les images au microscope optique de HKUST-1 de forme cubique, de HKUST-1 de forme octaédrique et de coquille de HKUST-1@MOF-5 de forme cubique et octaédrique sont présentées dans cette figure. Le cristal HKUST-1 est situé au centre du cristal MOF-5 incolore, avec une interface transparente pour fournir une structure noyau-coquille. Des photographies de HKUST-1@MOF-5 dans le diéthylformamide et le dichlorométhane et les images optiques correspondantes du MOF cœur-coquille utilisant HKUST-1 de forme cubique et octaédrique sont présentées ici.
Les images représentent les motifs PXRD de HKUST-1, HKUST-1@MOF-5 avec HKUST-1 de forme cubique et octaédrique, et les motifs simulés de HKUST-1 et MOF-5. Ces mesures PXRD ont prouvé la pureté de phase du cristal cœur-coquille. placer le bocal en verre dans le four à convection où l’expression du MOF du noyau est importante pour synthétiser un MOF cœur-coquille cultivé individuellement.
PCN-68@MOF-5, UiO-66@MIL-88B et d’autres peuvent être synthétisés en suivant cette procédure, ce qui signifie qu’il est extensible à d’autres paires cœur-shell. Cette technologie peut fournir une voie systématique pour concevoir et synthétiser des MOF cœur-coque afin d’améliorer les performances dans une application spécifique.
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Aperçu
Cet article présente un protocole pour la synthèse en deux étapes de coques-noyaux monocristallins en utilisant une paire de cadres métallo-organiques (CMO) non isostructuraux, HKUST-1 et MOF-5. La méthode permet la création de divers CMO coque-noyau avec maillage assorti, ayant des applications potentielles dans la séparation des gaz et la catalyse.
Composantes clés de l'étude
Domaine scientifique
- Science des matériaux
- Nanotechnologie
- Génie chimique
Contexte
- Les cadres métallo-organiques (CMO) sont des matériaux polyvalents.
- Les structures coque-noyau améliorent les propriétés des matériaux.
- Les interfaces sans couture dans les CMO peuvent améliorer la fonctionnalité.
- Les réactions solvothermiques sont couramment utilisées dans la synthèse des CMO.
Objectif de l'étude
- Démontrer un protocole pour synthétiser des CMO coque-noyau.
- Explorer l'intégration de paires de CMO non isostructuraux.
- Dessiner des matériaux pour une séparation efficace des gaz et des applications catalytiques.
Méthodes utilisées
- Dissoudre le nitrate de cuivre hémi-pentahydraté dans un mélange de solvants.
- Utiliser une réaction solvothermique pour synthétiser des structures coque-noyau.
- Employer un protocole de synthèse en deux étapes.
- Caractériser les CMO résultants pour l'intégrité structurelle.
Résultats principaux
- Synthèse réussie de CMO coque-noyau monocristallins.
- Interfaces sans couture démontrées entre différentes paires de CMO.
- Potentiel pour diverses applications dans la séparation des gaz et la catalyse.
- Le protocole peut être étendu à d'autres paires de CMO.
Conclusions
- Le protocole fournit une méthode fiable pour synthétiser des CMO coque-noyau.
- L'intégration de CMO non isostructuraux est faisable et bénéfique.
- Les travaux futurs peuvent explorer d'autres combinaisons de CMO pour diverses applications.
Questions fréquemment posées
Executive Industry Relevance
Single-crystalline core-shell metal-organic frameworks (MOFs) offer a platform for engineering advanced materials with tailored interfaces and synergistic properties. The ability to synthesize lattice-matched, non-isostructural core-shell MOFs expands the toolkit for designing functional materials relevant to separation, catalysis, and beyond. This protocol enables systematic exploration of interface-driven performance, supporting predictive confidence in early-stage material selection for biopharma and chemical R&D portfolios.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of structure-function relationships in engineered material systems.
- Supports mechanistic de-risking by providing seamless core-shell interfaces for controlled studies.
- Facilitates predictive confidence in material performance for downstream applications.
Screening & Assay Development
- Provides validated, phase-pure core-shell MOFs for reproducible screening workflows.
- Enables quantitative assessment of interface effects using PXRD and optical microscopy outputs.
- Supports standardization of material inputs for high-throughput evaluation platforms.
Translational & Preclinical Research
- Offers a pathway to design materials with application-specific selectivity, such as gas separation or catalysis.
- Aligns material synthesis with translational needs by enabling interface engineering for functional optimization.
- Supports continuity from discovery to preclinical validation through scalable, reproducible protocols.
Pipeline & Workflow Integration
This synthesis protocol positions core-shell MOFs as modular components from early discovery through lead identification and preclinical material evaluation.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing on interface-driven material properties and synergistic effects.
- Screening: Delivers reproducible, phase-pure materials for comparative screening and quantitative analysis.
- Analytics: Provides robust PXRD and microscopy data for condition comparison and quality control.
- Translational Research: Enables rational design of materials for application-specific performance, supporting translational continuity.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable protocol adaptable to diverse MOF pairs and functional requirements.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in material selection.
- Operational Value: Standardizes synthesis and characterization for reproducibility and scalability.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions and capital allocation by enabling early de-risking of material candidates.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of high-potential material systems.
Implementation Considerations
- Requires expertise in solvothermal synthesis and MOF crystallography.
- Needs access to analytical infrastructure such as PXRD and optical microscopy.
- Demands cross-team standardization for reproducible material preparation and characterization.
- Adaptable to various MOF pairs with attention to lattice matching and interface chemistry.
- Scalability and application-specific adaptation depend on material compatibility and process optimization.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:43
Synthesis of Cubic HKUST‐1
2:01
Synthesis and Solvent‐Exchange of HKUST‐1@MOF‐5 Core‐Shell
3:20
Results: Computational Structure Models, Optical Microscope Images, and PXRD Patterns of HKUST‐1 and HKUST‐1@MOF‐5 Core‐Shell
4:34
Conclusion
