자체 조립된 금속-유기 프레임워크 단층의 합성 및 특성화를 위한 프로토콜은 고분자 접목, 금속-유기 프레임워크(MOF) 결정을 사용하여 제공됩니다. 이 절차는 고분자 접목된 MOF 입자가 주사 전자 현미경 이미징으로 입증된 바와 같이 잘 형성된 독립적인 단층 구조를 생성하여 공기-물 계면에서 자체 조립될 수 있음을 보여줍니다.
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방법 논문
Synthesis and Characterization of Self-Assembled Metal-Organic Framework Monolayers Using Polymer-coated Particles(고분자 코팅 입자를 사용한 자체 조립된 금속-유기 프레임워크 단층의 합성 및 특성 분석)
이 논문에서
요약
초록
금속-유기 프레임워크(MOF)는 가스 흡착 및 분리, 촉매 작용 및 생물 의학과 같은 분야에서 잠재적으로 응용될 수 있는 재료입니다. MOF의 유용성을 향상시키려는 시도에는 고분자 접목 MOF를 포함한 다양한 복합 재료의 제조가 포함되었습니다. 폴리머를 MOF의 외부 표면에 직접 접목함으로써 폴리머와 MOF 간의 비호환성 문제를 극복할 수 있습니다. MOF 표면에서 접목된 폴리머 브러시는 MOF를 안정화하는 동시에 폴리머-폴리머 상호 작용을 통해 자체 조립된 금속-유기 프레임워크 단층(SAMM)으로 입자 조립을 가능하게 하는 역할을 할 수 있습니다.
이식된 폴리머의 화학적 조성 및 분자량을 제어하면 SAMM 특성을 조정할 수 있습니다. 이 작업에서는 MOF UiO-66(UiO = Universitetet i Oslo)의 표면에 CTA(Chain Transfer Agent)를 고정하는 방법에 대한 지침을 제공합니다. CTA는 폴리머 성장을 위한 시작 부위 역할을 합니다. MOF 표면에서 폴리머 사슬이 성장하면 공기-물 계면에서 자체 조립을 통해 SAMM을 형성합니다. 그 결과 생성된 SAMM은 주사 전자 현미경 이미징을 통해 특성화되고 독립적인 것으로 나타났습니다. 이 논문에 제시된 방법은 연구 커뮤니티에서 SAMM의 제조에 더 쉽게 접근할 수 있도록 하여 MOF-폴리머 복합재로서의 잠재적 사용을 확장할 것으로 예상됩니다.
서론
금속-유기 프레임워크(MOF)는 유기 리간드 또는 금속 노드 1,2의 변형을 통해 쉽게 조정할 수 있는 넓은 표면적을 제공하는 결정질 다공성 재료입니다. MOF는 유기 리간드와 금속 이온(또는 2차 건물 단위(SBU라고 함)의 두 가지 구성 요소로 구성됩니다. MOF는 화학물질(예: 가스) 저장, 분리, 촉매, 감지 및 약물 전달에 대해 조사되었습니다. 일반적으로 MOF는 결정 분말 형태로 합성됩니다. 그러나, 많은 응용에서 취급의 용이성을 위해, 필요하지 않은 경우 다른 폼 팩터로 제형화하는 것이 바람직하다 3,4. 예를 들어, MOF와 중합체의 혼합 매트릭스 막(MMM)은 MOF와 중합체의 특히 유용한 복합체 중 하나로 보고되었다5. 그러나, 몇몇 경우에, MMM은 MOF와 폴리머 컴포넌트(5,6) 사이의 비호환성/비혼화성으로 인해 제한을 가질 수 있다. 따라서 고분자 접목된 MOF를 형성하기 위해 MOF 입자에 직접 고분자 접목을 통....
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프로토콜
1. cat-DDMAT를 이용한 UiO-66의 표면 개질
- 메탄올의 UiO-66 용매를 물로 교환합니다.
- 20mg/mL 농도의 메탄올에 UiO-66을 준비합니다.
참고 : Wang et al.20에 따르면 균질 한 UiO-66은 합성 후 DMF와 메탄올로 세척 한 다음 메탄올에 분산 된 상태로 저장합니다. - 피펫을 사용하여 10mL의 UiO-66 현탁액을 15mL 원추형 원심분리기 튜브로 옮깁니다.
- 약 10,000× g 에서 10분 동안 원심분리를 수행하고 상층액을 제거하고 10mL의 탈이온수(DI)를 추가합니다.
알림: 이러한 조건에서 입자가 완전히 가라앉지 않는 경우 추가로 10분 원심분리 단계를 수행할 수 있습니다. - UiO-66 입자를 물에 재분산시킵니다.
알림: 적절한 분산을 위해 실온에서 초음파 처리 및 와류(최대 속도를 사용할 수 있음)를 사용해야 할 수 있습니다. - 단계 1.1.3.에서와 동일한 조건으로 다시 원심분리기하고 신선한 DI 물 10mL를 추가하고 재분산시킵니다.
- 20mg/mL 농도의 메탄올에 UiO-66을 준비합니다.
- 클로로포름 5mL에 cat-DDMAT 10mg을 녹입니다.
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결과
폴리머 접목된 MOF를 농축된 톨루엔 분산액에서 물에 부드럽게 떨어뜨리면( 그림 4A 참조) 몇 초 안에 무지개 빛깔의 단층이 형성됩니다. 또한, 구리선으로 만든 금형을 사용하여 이 단층을 들어 올린 후 얻어진 물을 건조시키면 독립형 SAMM을 형성할 수 있습니다(그림 4B). 단층을 유리 현미경 커버 슬립으로 옮기고 건조시킨 후 SEM 이미징에서 자체 조립된 입자를 보여줍니다(그림 5). 그림 5A에서 입자는 균일한 단층을 형성합니다. 정팔면체인 UiO-66의 형태(특정 합성 조건에서 제조된 경우)는 폴리머 브러시의 존재로 인해 약간 더 둥글게 보입니다. 또한, 입자 사이의 대부분의 공간은 열려 있지 않고 폴리머로 채워져 있습니다. 단층의 주변을 관찰할 때 불완전한 자체 조립 과정을 반영할 수 있는 영역을 관찰할 수.......
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토론
SAMM을 생산할 폴리머 이식 MOF를 성공적으로 합성하기 위해 세부 사항에 대한 특별한 주의가 필요한 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 첫째, RAFT 중합에 사용되는 단량체는 원치 않는 중합을 방지하기 위해 보관 중에 억제제 또는 안정제로 보충됩니다(예: 하이드로퀴논 또는 하이드로퀴논의 모노메틸 에테르, MEHQ). 이러한 첨가제를 제거하려면 사용 전에 증류를 통한 정화가 필요합니다22. 프로토콜 단계 2.4에서는 CTA 접목된 MOF 입자와 광촉매를 포함하는 반응 혼합물을 첨가하기 전에 DMSO에서 메틸 아크릴레이트 단량체를 희석하는 것이 필수적입니다. DMSO에서 메틸 아크릴레이트 단량체의 균일한 분산이 이루어지면 이 용액을 반응 혼합물에 천천히 적가할 수 있습니다. 단량체를 희석하면 SAMM을 형성하기에 적합하지 않은 입자를 생성할 수 있는 메틸 아크릴레이트의 빠른 중합을 방지할 수 있습니다. 여기 프로토콜의 SAMM 합성에는 가장자리 길이가 120nm인 단분산 UiO-66 입.......
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공개 사항
저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.
감사의 글
M.K.는 미국 국립과학재단(National Science Foundation)의 화학과(Division of Chemistry)로부터 장학금을 받았습니다. CHE-2153240입니다. 재료 및 공급품에 대한 추가 지원은 수상 번호에 따라 에너지부, 기초 에너지 과학 사무소, 재료 과학 및 엔지니어링 부서에서 제공했습니다. DE-FG02-08ER46519입니다. SEM 이미징은 U.C. 샌디에이고의 샌디에이고 나노 기술 인프라(SDNI)에서 부분적으로 수행되었으며, 이는 미국 국립과학재단(National Science Foundation)의 지원을 받는 국가 나노기술 조정 인프라(National Nanotechnology Coordinated Infrastructure)의 회원입니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 2-(도데실티오카보노티오일티오)-2-메틸프로피온산(DDMAT) | 시그마-알드리치 | 723010 | 98% |
| 10 mL 단일 목 RBF | Chemglass | CG-1506-82 | 14/20 외부 조인트 |
| 아세톤 | 피셔 화학 | A18-20 | ACS 등급 |
| Allegra X-30R 원심분리기 | BECKMAN COULTER | B06320 | 1.6L 최대 용량, 18,000 RPM, 29,756 x g |
| 아날로그 와류 믹서 | VWR | 10153-838 | 300 - 3,200 rpm |
| cat-DDMAT | 문헌 절차에 따라 준비되었습니다(ref. 17). | ||
| 원심분리기 튜브, 50 mL / 15 mL | 코닝 | 430291 / 430766 | 플러그 씰 캡이 있는 원뿔형 바닥, 폴리프로필렌 |
| 클로로포름 | 피셔 화학 물질 | AC423550040 | 99.8% |
| 기존 바늘 | Becton Dickinson | 382903051670 | 21 G x 1 1/2 |
| 구리선 | Malin Co. | No. 30 B & S GAUGE | |
| 디메틸 설폭사이드(DMSO) | Fisher 생물 시약 | BP231-1 | >=99.7% |
| 일회용 파스퇴르 피펫 | Fisher Scientific | 13-678-20C | 붕규산 유리 |
| 에탄올 | KOPTEC | V1001 | 200 proof ethanol |
| Glass Scintillation Vial, 20 mL | KIMBIL | 74508-20 | |
| 눈금 실린더, 10 mL | KIMBIL | 20024-10 | |
| 피하 주사 바늘 | Air-Tite | N224 | 22 G x 4'' |
| 메탄올 | 피셔 화학 | A412-20 | 99.8% |
| 메틸 아크릴레이트 | Aldrich 화학 | M27301 | 99%, 함유 =< 억제제로서의 100ppm 모노메틸 에테르 하이드로퀴논 |
| Micropipette P10 (1 - 10 µ L) | GILSON | F144055M | PIPETMAN, 금속 이젝터 |
| 마이크로피펫 P1000 (100 - 1,000 &마이크로; L) | GILSON | F144059M | PIPETMAN, 금속 이젝터 |
| 마이크로피펫 P20 (2 - 20 &마이크로; L) | GILSON | F144056M | PIPETMAN, 금속 이젝터 |
| 현미경 커버 유리 | Fisher Scientific | 12542A | 18mm x 18mm |
| NN-디메르힐포름아미드(DMF) | Fisher Chemical | D119-4 | 99.8% |
| 페트리 접시, 쌓을 수 있는 뚜껑 | Fisher Scientific | FB0875713A | 60mm x 15mm |
| 셉텀 스토퍼 | Chemglass | CG302401 | 14/20 - 14/35 |
| Stir Bar | Chemglass | CG-2005T-01 | 마그네틱, PTFE, 터보, 희토류, 타원형, 10 x 6mm |
| SuperNuova+ 스티링 핫 플레이트 | Thermo Scientific | SP88857190 | 50 - 1,500 rpm, 30 - 450 ° C |
| 톨루엔 | 피셔 케미컬 | T324-4 | 99.5% |
| Tris[2-phenylpyridinato-C2,N]iridium(III) (Ir(ppy)3) | Sigma-Aldrich | 688096 | 97% |
| UiO-66 (120 nm edge length)문 | 헌 절차(ref. 18)에 따라 작성. | ||
| 초음파 세척기 CPX3800H | EMERSON / BRANSON | CPX-952-318R | 40kHz, 5.7L |
| 방수 플렉시블 LED 스트립 라이트 | ALITOVE | ALT-5B300WPBK | 16.4피트 5050 블루 LED |
참고문헌
- Eddaoudi, M., et al. Systematic design of pore size and functionality in isoreticular mofs and their application in methane storage. Science. 295, 469-472 (2002).
- Yaghi, O. M., et al. Reticular synthesis and the design of new materials. Natu....
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