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Chemistry

基于微流体的共价有机骨架(COFs)的合成:用于连续生产COF纤维和直接印刷在表面上的工具

doi: 10.3791/56020 Published: July 10, 2017

Summary

我们提出一种新型的基于微流体的合成共价有机骨架(COFs)的方法。我们展示了如何使用这种方法来生产连续的COF纤维,以及表面上的2D或3D COF结构。

Abstract

共价有机骨架(COFs)是一类多孔共价材料,经常被合成为不可加工的结晶粉末。 2005年第一次报告了COF,其重点是建立新的合成路线进行准备。迄今为止,用于COF合成的大多数可用的合成方法是基于在溶剂热条件下的体积混合。因此,越来越多的兴趣开发COF合成的系统方案,提供对反应条件的精细控制,并提高表面上的COF加工性,这对于在实际应用中的应用至关重要。在本文中,我们提出了一种新型的基于微流体的COF合成方法,其中两个构成结构单元1,3,5-苯三甲醛(BTCA)和1,3,5-三(4-氨基苯基)苯(TAPB)之间的反应,在受控扩散条件下和室温下进行。使用这种方法会产生海绵样的哭泣COF材料的高分子纤维,以下称为MF-COF。 MF-COF的机械性能和该方法的动态特性允许连续生产MF-COF纤维并直接印刷在表面上。一般方法开辟了新的潜在应用,需要在柔性或刚性表面上高级打印2D或3D COF结构。

Introduction

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共价有机骨架(COFs)是一类已知的多孔和结晶材料,其中有机结构单元通过共价键1,2,3,4,5牢固地保持在一起。 COF通常按照超分子化学原理进行组装,其中组成的分子结构单元选择性地反应以限定最终和预定的多孔组件。这种方法允许合成具有受控和有序结构的材料( 例如 ,具有限定的孔尺寸)和组合物3,6,7,8 。与其他多孔材料相比,COF是独特的,因为它们由轻元素(C,H,B,N和O)组成,并具有可调谐孔精神1,5 。受到这些独特和内在特征的启发,COF已经被评估为在化学分离中的潜在应用9 ,气体储存10和催化11 ,传感器12 ,光电子13 ,清洁能源技术14和电化学能量装置15

迄今为止,用于制备COF材料的绝大多数方法是基于溶剂热自缩合和共缩合反应,其中以高温和高压为标准。虽然COF是热稳定的,但它们通常受到有限的加工性能的影响, COF通常是不溶性和不可加工的结晶粉末,这显着地限制了它们在潜在和实际应用范围内的使用ss =“xref”> 2,6,8,16,17。尽管COF合成方面取得了显着的进展,但是在该领域的主要挑战是开发一种能够在适当反应条件( 温度和压力)下制备COF的方法,从而可以促进其在表面上的加工性能。

最近研究表明,Shiff碱化学可用于在室温下合成基于亚胺的COF。由于1,3,5-三(4-氨基苯基)苯(TAPB)和1,3,5-苯三甲醛(BTCA) 17 )的快速有效反应,形成了命名为RT-COF-1的COF 1A )。通过使用平版印刷法在刚性和柔性表面上直接印刷RT-COF-1的微米和亚微米图案来证明该合成方法的功效,喷墨打印技术。最近,利用微流体,我们已经证明了用于连续合成相同亚胺基COF(以下称为MF-COF 6)的纤维的有效方法。与用于生成COF 18的其他报道的合成方法不同,这种基于微流体的合成方法使得能够在几秒钟内在环境温度和压力下快速合成MF-COF纤维。此外,由于合成的MF-COF纤维的机械稳定性,我们已经证明了这种基于微流体的方法如何能够在表面上直接印刷2D和3D结构。在这里,我们证明该方法可用于在具有不同化学和物理性质的各种表面上绘制COF结构。我们认为,这种新方法为不同方向和各种表面上的COF的良好控制图案化和直接印刷打开了新的途径。

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Protocol

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主模具制造

  1. 执行4英寸硅母模的光刻制造,如前面详细描述的19 ;本研究中使用的主模具使用相同的方案制造。
    注意:微流控器件通常通过多步法制造。第一步是使用传统绘图软件设计微流体通道。然后,产生含有微流控网络的高分辨率薄膜光掩模,其特征精度为约5μm。接下来,通过标准光刻技术在4英寸硅晶片上制造母模。在目前的研究中,采用SU-8作为负型光致抗蚀剂来制造母模。在我们的设备中,SU-8结构的高度定义为50μm。最后,通过直接浇铸透明聚合物(通常是聚二甲基硅氧烷)来制造微流体装置羟基硅氧烷(PDMS)。

2.单层微流体装置的制造

注意:协议要求在70°C下进行烤箱操作。在开始制造方案之前,烘箱的温度应稳定在70℃。较低的温度可能导致粘结不良和非功能性的设备。

  1. 将制作的主模具放入装有真空泵的干燥器中。然后,将100μL氯代三甲基硅烷倒入玻璃小瓶中,并将其放入干燥器中。
    注意:注意!氯代三甲基硅烷是一种腐蚀性,危险和有毒物质。因此,所有的处理步骤应在通风通风橱下进行,并且必须佩戴合适的护目镜,手套和实验室外套。
  2. 关闭干燥器并置于真空下(本实验中为51毫巴)。等待至少1小时以确保蒸发的氯代三甲基胺的沉积在模具表面的硅烷。 1小时后,轻轻打开干燥器的空气阀将其平衡至大气压力并将其打开。
    注意:注意!干燥器打开一旦氯三甲基硅烷蒸气泄漏出来;不要直接在干燥器上方呼吸,并且始终在通风柜中执行上述操作。
  3. 手动取出硅胶模具,并关闭干燥器。将主模具存放在封闭的箱体(或层流罩内),以避免颗粒在其表面上沉积。
    注意:所有进行的步骤必须在均匀空气速度下运行的层流罩下进行。
  4. 在一次性杯中制备PDMS预聚物和固化剂(重量比为10:0.9)的混合物,并用塑料刮刀剧烈混合。作为指导,使用20g弹性体和1.8g固化剂来制造大约5mm厚的四个PDMS微流体装置。
  5. 放置含有混合好的PD的杯子MS在干燥器中在真空下脱气并除去气泡。一旦PDMS脱气,打开干燥器并取出杯子。
    注意:在本实验中,在51毫巴下大约需要30分钟。
  6. 轻轻地将四个正方形框架( 例如 ,内部尺寸为24 mm x 24 mm的聚四氟乙烯(PTFE)框架)放置在主模具上,以使每个框架在主模具上形成围绕单个图案化结构的壁。
  7. 将脱气的PDMS倒入框架中,并将母模顶部倒入充满状态。将带有方形框架的母模置于70℃的烘箱中2小时。
  8. 2小时后,从烤箱中取出母模,将组件放冷至室温。
  9. 通过将它们与主模具仔细分离并将PDMS芯片滑出正方形框架,手动剥离结构化PDMS板(或PDMS芯片)和方框。
  10. 冲孔入口和出口孔使用1.5 mm活检穿孔机在设计中, 例如 ,在微流体通道结束时的位置。切割多余的PDMS,并使用胶带从结构化PDMS芯片表面清除任何碎屑。
  11. 将PDMS芯片(开放通道朝上)以及玻璃盖玻片放入等离子体发生器的腔室并关闭腔室。
  12. 将等离子体发生器置于真空下(1.4 mbar);将等离子体发生器切换1分钟。
  13. 1分钟后,关闭等离子体发生器,通风室,取出处理过的PDMS芯片和玻璃盖玻片。将PDMS芯片(从结构化通道的一侧)和玻璃盖玻片结合在一起以封闭通道;此时制造单层微流体装置。
  14. 最后,将粘合的微流体装置放置在70℃的烘箱中至少4小时,以增强PDMS和玻璃之间的粘合。

准备微流体装置和前体溶液的离子

  1. 在乙酸中制备0.040 M BTCA溶液。
    注意:注意!乙酸是一种危险的,腐蚀性和易燃的化合物,其蒸气对眼睛和呼吸系统极度刺激。因此,处理步骤必须在通风橱中进行。此外,使用者必须戴上保护性实验衣,护目镜和手套。
  2. 制备0.040 M的TAPB溶液在乙酸中。
    注意:本实验中使用的微流体装置有四个入口通道( 图1B图2 )。
  3. 将BTCA和TAPB溶液装入两个不同的注射器(5 mL注射器,此处装有3 mL溶液),将注射器放入并固定到注射泵上,并将其连接到制造的微流体芯片的两个中间入口(每个入口一个试剂),使用PTFE管(内径0.8 mm)。
  4. 用纯的另外两个注射器装载乙酸(这里是5 mL注射器完全装满),将注射器放入并固定到注射器泵上,并使用相同类型的PTFE管将其连接到微流控芯片的两个入口。
  5. 将足够长的PTFE管(在当前实验中,约15厘米)连接到微流体芯片的出口。使用计算机控制的注射泵来激励流体流动,如以下步骤所述。

连续合成MF-COF纤维

  1. 使用注射泵每次以100μL/ min的流速引入两根乙酸溶液,鞘流位于试剂流的外侧( 图2 )。
  2. 等待1分钟,通过两个中间入口(每个入口一个试剂)分别以50μL/ min的流速注入两种试剂(TAPB和BTCA)。等待1分钟,直到稳定的流量建立。
  3. 观察黄色纤维微结构的形成先前通过傅立叶变换红外(FT-IR)光谱,元素分析和固态13 C CP-MAS-NMR 6表征为MF-COF的固体;在这些条件下,MF-COF的形成不是连续的。
  4. 将TAPB和BTCA的流速提高到200μL/ min,并保持醋酸的两个鞘流速100μL/ min。现在等待1分钟直到流量稳定。观察黄色MF-COF纤维的高度浓缩悬浮液的形成,最终导致出口堵塞。
  5. 由于芯片和出口管现在不起作用,请使用新的芯片,并根据步骤3.3-3.6进行实验准备。
  6. 以100μL/ min的流速引入两根乙酸鞘,并等待1分钟。将TAPB和BTCA的流量分别设置为100μL/ min,观察连续的黄色MF-COF纤维的形成。
  7. 将管子的出口放在含有醋的培养皿中酸酸。例如,将10mL乙酸放入玻璃培养皿(直径60mm)中。一旦合成的纤维离开位于微流体装置的出口处的管,将管移动到表面上以便于连续MF-COF纤维的排出。

直接打印2D和3D MF-COF结构

注意:由于合成纤维可能不完全均匀,必须调整沉积速度以确保连续印刷。

  1. 按照第3节所述准备微流体装置,并以100μL/ min的流速注入所有四种溶液。
  2. 等待1分钟,直到流稳定,合成的MF-COF纤维离开位于微流体装置出口处的管。在位于微流体装置出口处的管的出口旁边准备一个干净的基材,用于直接印刷MF-COF纤维。
    注意:在我们的调查中,24毫米所有印刷实验都采用x 76毫米玻璃盖玻片。
  3. 将管连接到微流体装置的出口,使其端部比玻璃盖玻片高出几毫米。缓慢地将管子移动到玻璃盖玻片上,以方便MF-COF纤维的排出并避免聚集。
  4. 一旦流动稳定,缓慢地将位于微流体装置出口处的管子从玻璃盖玻片大约2-3厘米处提起,以观察独立且稳定的MF-COF纤维。
  5. 要继续打印,请将管道的出口朝玻璃盖玻片移回,并手动将管子移动到表面上,以绘制所需的2D或3D MF-COF结构。

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Representative Results

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在我们的研究中使用的微流体装置是使用传统的PDMS复制模制20制造的,并且包括合并到主微通道中的四个微流体入口通道。最终的微流体装置由结构化PDMS层和用于封闭印迹微通道的玻璃盖玻片组成, 如图1B所示。

图1
图1:分子构建块和单层微流体装置。A )TAPB和BTCA的化学结构。 ( B )用于合成COF纤维的微流体装置的照片。 请点击这里查看更大的版本数字。

四个入口微流体通道的高度为50μm,宽度为50μm,并汇聚成一个主要的微流体通道,高达50μm,宽度为250μm。将两种试剂流(乙酸中的BTCA和TAPB)注入两个中间输入通道,将两个纯乙酸鞘流引入侧通道( 图2 ,合成区)。所有四个流汇集在主要微流体通道中,其中反应在扩散控制下进行。在这项工作中,所有四个输入流量都调整到100μL/ min的流速。一方面,这种条件确保连续的MF-COF纤维的形成(干燥的MF-COF纤维的生产速率约为 2mg / min),另一方面避免了主要微流体通道的阻塞以及位于微流体装置的出口处的管。这样优化的流程c可以生产具有适当机械性能的连续黄色MF-COF纤维,用于在表面上直接印刷( 图2 ,印刷区域)。

图2
图2:用于合成MF-COF纤维的微流体装置的示意图。指出合成和印刷区。 请点击此处查看此图的较大版本。

我们以前的研究6提供了详细的化学特征研究以及合成的MF-COF纤维的热稳定性分析。 图3显示衰减的全反射率FT-IR(ATR-FT-IR)数据单体TAPB和BTCA的粉末X射线衍射(PXRD)图案以及MF-COF纤维。 ATR-FT-IR测量显示MF-COF纤维中NH拉伸带(3,300-3,500cm -1 )的消失和位于1,689cm -1处的新带的出现,其对应于亚胺键形成。此外,MF-COF纤维的PXRD数据与模拟图案相比较。有趣的是,MF-COF的形态学表征显示,MF-COF与RT-COF-1(在本体条件下合成)不同,MF-COF由形成3D海绵状多孔组织的相互连接的微米和纳米纤维组成,而RT-COF-1形成不含界定微结构的薄膜17 。这种形态差异也解释了MF-COF中N 2吸附显着增加,如Brunauer-Emmet-Teller(BET)分析测定的总比表面积所证明的那样。

_content“fo:keep-together.within-page =”1“> 图3
图3:试剂和MF-COF纤维的化学和结构分析。A )单体TAPB和BTCA以及MF-COF纤维的ATR-FT-IR光谱。 ( B )MF-COF纤维(具有模拟图案)和TAPB和BTCA的PXRD图案。 请点击此处查看此图的较大版本。

这些结果表明使用微流体反应合成的COF是独特的,并且使用替代的合成方法不能实现MF-COF特征和性能。从MF-COF的微观组织得到的机械性能允许MF-COF纤维在表面上的共形印刷。 图4

图4
图4:玻璃表面上的2D和3D MF-COF结构。A )写作实验(用“ETH”和“3D COF”)的照片以及( B )二维和( C )三维MF-COF结构在玻璃上的印刷实验。比例尺= 1厘米。 请点击此处查看此图的较大版本。

此外,合成的MF-COF纤维的机械性能以及打印方法的简单性和灵活性允许Con在不同柔性和刚性基材上缠绕MF-COF沉积。 如图5所示 ,MF-COF可以印刷到诸如玻璃,薄纸,纸板,铝箔和聚苯乙烯的各种表面上。

图5
图5:MF-COF纤维在不同基材上的印刷。A )玻璃,( B )薄纸,( C )纸板,( D )铝箔和( E )聚苯乙烯表面上的MF-COF的照片。所有比例尺为1厘米。 请点击此处查看此图的较大版本。

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Discussion

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这里报道的基于微流体的合成方法提供了一种用于在表面上直接印刷COF材料的新颖且简单的方法。使用单层微流体装置进行合成,该装置包括与玻璃盖玻片接合的微流体PDMS芯片。微流体装置的制造可以通过PDMS相对于硅母模的常规铸造并随后将PDMS与压印的微通道对接在玻璃盖玻片上来实现。

为了成功组装微流体装置,重要的是在洁净室环境中制造母模以避免在光刻期间的污染和缺陷。由于不合适的条件,缺陷的主模具将导致非功能微流体装置。此外,PDMS预聚物与固化剂的比例,其控制PDMS的刚度已经被优化以制造鲁棒的PDMS偏差ces仍然有足够的弹性。 PDMS芯片的弹性在促进PTFE管道稳定插入微流体装置的入口和出口孔中是重要的。

存在于微流体装置中的层流条件允许精细控制在共流动试剂流之间的界面处发生的化学反应。促进内部微流体装置的剂型的先进混合主动地有助于形成和分离通过其他合成方法6,21,22,23不可及的微结构和纳米结构。在本研究中,我们还显示微流体合成可以导致形成具有互连的纤维微结构的3D海绵状COF材料,这与通过常规体积合成方法获得的COF材料不同。

6 。然而,微流体合成有助于形成可连续印刷在不同表面上的宏观和多孔MF-COF纤维。这种合成和直接印刷的新方法在COF研究中创造了新的机会。

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Disclosures

作者没有什么可以披露的。

Acknowledgments

作者通过项目号码承认瑞士国家科学基金会(SNF)的财务支持。 200021_160174。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
High resolution film masks Microlitho, UK - Features down to 5um
Silicon wafers Silicon Materials Inc., Germany 4" Silicon Wafers Front surface: polished, back surface: etched
Silicone Elastomer KIT (PDMS) Dow Corning, USA Sylgard 184 -
Chlorotrimethylsilane Sigma-Aldrich, Switzerland 386529 ≥97%, CAUTION: Handle it only under fume hood.
Biopsy puncher Miltex GmBH, Germany 33-31A-P/25 1.5 mm
Glass coverslip Menzel-Glaser, Germany BB024040SC 24 mm × 40 mm, #5
Plasma generator instrument Diener Zepto B Frequency: 40 kHz and plasma generator power: 0-30 W
PTFE tubing PKM SA, Switzerland AWG-TFS-XXX AWG 20TFS, roll of 100 m
neMESYS Syringe Pumps Cetoni GmbH, Germany Low Pressure (290N) -
Disposable Cup Semadeni, Switzerland 8323 PS, 200 ml
Plastic Spatula Semadeni, Switzerland 3340 L × W : 135 mm x 14 mm
Disposable Scalpels B. Braun, Switzerland 233-5320 Nr. 20
Disposable Syringes VWR, Switzerland 613-3951 5 ml, Discardit II
Acetic Acid Sigma-Aldrich, Switzerland 695092-500 >=99.7%, CAUTION: Handle it only under fume hood.
1,3,5-benzenetricarbaldehyde Aldrich-Fine Chemicals 753491 97%
1,3,5-Tris(4-aminophenyl)benzene Tokyo Chemical Industry T2728-5G >93.0%

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References

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Abrishamkar, A., Rodríguez-San-Miguel, D., Rodríguez Navarro, J. A., Rodriguez-Trujillo, R., Amabilino, D. B., Mas-Ballesté, R., Zamora, F., deMello, A. J., Puigmarti-Luis, J. Microfluidic-based Synthesis of Covalent Organic Frameworks (COFs): A Tool for Continuous Production of COF Fibers and Direct Printing on a Surface. J. Vis. Exp. (125), e56020, doi:10.3791/56020 (2017).More

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