Bereiding van metaal-organisch kader - gelatinehydrogels door coacervatie

Wij presenteren een nieuw experimenteel protocol voor de synthese en vormgeving van composieten, bestaande uit een combinatie van MOF's en gelatine-coacervaten. Veel bestaande MOF-gelatine-composieten vertonen een lage MOF-belading en een geringe toegankelijke porositeit. Dit protocol kan composieten opleveren met interessante eigenschappen, een goede MOF-belading, een hoge toegankelijke porositeit en bovendien goede grensvlak- en mechanische eigenschappen.

Begin met het afwegen van 10 gram commerciële type A gelatine gewonnen uit varkenshuid met een bloom-waarde van 175 gram, een gemiddeld molecuulgewicht van ongeveer 40 000 gram per mol en een isoelektrisch punt van acht. Voeg 100 milliliter water toe aan het afgewogen gelatinepoeder om een waterige gelatinegel met een gewichtsconcentratie van 10% te bereiden. Laat de gelatinekorrels minstens drie uur zwellen in ultrapuur water bij vijf graden Celsius.

Verhit de gelatinegel bij 50 °C om een waterige gelatineloplossing te bereiden. Gebruik een magnetische roerder om de gelatineloplossing 30 minuten lang te roeren bij 300 omwentelingen per minuut. Zodra er een heldere gelatineloplossing is verkregen, dient deze op 50 °C te worden gehouden.

Voeg in een scintillatiebuisje van 25 milliliter zeven milliliter dimethylformamide en vier milliliter azijnzuur toe. Voeg vervolgens 71 microliter van een 70% zirconiumpropoxide-oplossing in 1-propanol toe. Verhit het resulterende mengsel in een aluminium blok op een warmteplaat bij 130 graden Celsius gedurende twee uur.

Observeer een duidelijke kleurverandering, van kleurloos naar geel, wat wijst op de vorming van zirconium-oxo-clusters. Laat de oplossing afkoelen op kamertemperatuur. Voeg 84 milligram organische linker 1, 4-benzeendicarboxylzuur toe aan 11 milliliter van de zirconium-oxo-clusteroplossing.

Roer het mengsel 15 minuten lang totdat een homogene dispersie is verkregen. Voeg vervolgens twee milliliters van de 10%weight gelatineloplossing bij 50 °C toe. Roer het mengsel 10 minuten bij kamertemperatuur.

Voeg vervolgens twee milliliter ethanol toe. Observeer hoe het mengsel troebel wordt en wit uitslaat. Roer het resulterende mengsel gedurende 24 uur bij ongeveer 20 graden Celsius.

Voeg 10 milliliters ethanol toe aan het mengsel om een volledige fasescheiding mogelijk te maken. Observeer hoe de oplossing verandert in een macroscopisch bifasisch monster bestaande uit een verdunde gelatinefase en een viskeuze hydrogel. Extraheer een klein deel van de viskeuze fase uit de supernatantoplossing om het metaal-organische raamwerk of MOF-hydrogelcomposiet te verkrijgen.

Laat dit composiet op kamertemperatuur drogen tot aan de karakterisering. Voor het monolithisch vormgeven van hydrogelcomposieten wordt de viskeuze fase met het supernatant 15 minuten lang verhit bij 70 °C. Verhit het vervolgens vijf minuten lang bij 90 °C om de MOF-gelatine-hydrogel om te vormen tot een homogene viskeuze vloeistof.

Giet de hydrogel zonder de supernatantoplossing in de mal die is gethermaliseerd op 70 °C. Vorm een monoliet door 15 minuten te laten afkoelen bij kamertemperatuur. Bewaar deze vervolgens gedurende één dag bij 2 °C.

Bevestig de vorming van de uiteindelijke MOF-gelatine-hydrogel. Poeder-röntgendiffractieonderzoeken tonen aan dat het UiO-66 zirkonium-gelatine-composiet een hoge kristalliniteit behoudt, die overeenkomt met die van pure UiO-66 zirkonium metaal-organische raamwerk-nanodeeltjes. Stikstofporosimetrie laat zien dat het UiO-66 gelatine-composiet zeer poreus blijft en ongeveer 79% van het oppervlak van de oorspronkelijke MOF behoudt, wat suggereert dat de gelatineketens niet in staat zijn om de microporiën van UiO-66 binnen te dringen.

Transmissie-elektronenmicroscopische analyse van ultrafijn gesneden coupes onthult dat UiO-66 zirconium-nanodeeltjes sterk verspreid zijn door de gelatinematrix zonder aggregatie of fasescheiding. Bovendien bevestigt scanning-elektronenmicroscopische beeldvorming van met water gewassen monsters dat de ingebedde nanokristallen een goed gedefinieerde octaëdrische morfologie behouden. Dit protocol maakt de grootschalige fabricage van MOF-gelatinecomposieten in diverse microscopische vormen mogelijk, waaronder coatings en monolieten.

Het maakt gebruik van het vermogen van gelatine om fase-scheiding via coacervatie te ondergaan, gecombineerd met de vorming van het Zirconia MOF-instituut. Deze studie breidt zich uit naar chemisch gestuurde MOF's, waardoor de vorming van gevormde composieten voor milieu-sanering en katalyse-toepassingen mogelijk wordt.