Plazma ile Hidrofobik Metal-Organik Altyapıları hazırlanması Amonyak Kaldırma için perfluorobütanlar Kimyasal Buhar Kaplama Geliştirilmiş
10 Ekim 2013
Burada bu tür bunların kararlılığını ve hidrofobikliğini geliştirmek için metal-organik çerçeveler gibi mikro gözenekli malzemeler üzerinde perfluorobütanlar plazma geliştirilmiş kimyasal buhar biriktirme için işlemler açıklanmaktadır. Ayrıca, numune miligram miktarları atılım test ayrıntılı olarak anlatılmıştır.
Aşağıdaki deneyin genel amacı, su stabilitesini artırmak için hidrofobik bir metal organik çerçeve hazırlamaktır. Bu, ikinci adım olarak önce VO termal yöntemleri yoluyla bir metal organik çerçevenin sentezlenmesiyle elde edilir. Metal organik çerçeve, iç ve dış yüzeylere hidrofobik gruplar eklemek için bir floro acan başına plazma ile güçlendirilmiş kimyasal buhar biriktirme ile muamele edilir.
Daha sonra, malzeme yaşlandırılır ve elde edilen malzemenin amonyak kapasitesi bir mikro atılım aparatı kullanılarak değerlendirilir. Sonuçlar, HD plazma ile muamele edilmiş numunelerin amonyak alımında bir artış gösterdiğini göstermektedir. Bu tekniğin etkileri, çeşitli ortam koşullarına dayanıklı olabilen diğer çeşitli gözenekli malzemelerde hidrofobik metal organik çerçevelerin oluşturulmasına kadar uzanır.
Bu malzemeler, yapısal stabilitenin çok önemli olduğu gaz depolama, filtrasyon, kataliz ve hatta ilaç dağıtımında çeşitli uygulamalara sahiptir. Bu tekniğin, ıslak kimya kullanan mevcut sentetik sonrası modifikasyon yöntemlerine göre ana avantajı, floro alkan başına plazma ile güçlendirilmiş kimyasal buhar biriktirmesinin, mevcut fonksiyonel gruplardan bağımsız olarak çeşitli malzemelere uygulanabilmesidir. Ayrıca, bu teknik, solvent kullanılmadığı ve bu nedenle minimum atık üretimi olduğu için diğer yöntemlere göre daha çevrecidir.
İlk olarak, 12.5 mililitre deiyonize su ve 12.5 mililitre dimetilformamidi 100 mililitrelik vidalı kapaklı bir kavanozda yaklaşık beş dakika karıştırın, 0.87 gram bakır, iki nitrat hidrat, ardından 0.5 gram trius asit ekleyin kavanoza ve elde edilen mavi çözeltiyi yaklaşık beş dakika karıştırın. Daha sonra kavanozu kapatın ve yaklaşık 24 saat boyunca 120 santigrat derecede önceden ısıtılmış bir fırına koyun. Kavanozun oda sıcaklığına soğumasına izin verdikten sonra, 2,5 mikrometreye eşit veya daha büyük kristalleri geri kazanmak için derecelendirilmiş filtre kağıdı kullanarak vakum filtrasyonu yoluyla bakır BTC kristallerini geri kazanın.
Daha sonra elde edilen kristalleri üç kez 10 mililitre di kloro metan ile durulayın ve elde edilen malzemeyi 20 mililitrelik bir şişeye aktarın. Ardından, kristalleri batırmak için yeterli miktarda di kloro metan ekleyin ve ardından şişeyi kapatın. Bakır BTC gözeneklerinden daha az uçucu çözücülerin çıkarılmasına yardımcı olmak için çözücüyü her 24 saatte bir sonraki üç gün boyunca taze di kloro metan ile değiştirin.
Bakır BTC kristallerini filtreledikten sonra, bittiğinde malzemeden kalan konuk molekülleri çıkarmak için vakumlu bir fırında kademeli olarak 170 santigrat dereceye kadar ısıtın. Yapıyı ve kimyasal yapıyı, bakır BTC kristallerini toz X-ışını kırınımı ve Fourier ile doğruladı. Her deneyden önce kızılötesi spektroskopiyi dönüştürün.
Plazma reaktörünü ve plazma işleminde kullanılacak tüm cam malzemeleri 50 watt'lık hava plazması ile en az 30 dakika temizleyin. Bittiğinde, 0,5 gram aktif bakır BTC'yi 250 mililitrelik bir Pyrex şişesine koyun ve homojen bir işlem sağlamak için şişenin her yerine yayın. Daha sonra şişenin boynuna geçirgen bir bez yerleştirin ve vakum uyguladıktan sonra numune kaybını en aza indirmek için bir lastik bantla sabitleyin.
Ardından, şişeyi plazma odasına yerleştirin. Numune üzerine emilmiş olabilecek suyu çıkarmak için hazne en az 0.2 milibar'a eşit veya 30 milibar'a eşit veya daha düşük bir basınca ulaşana kadar bir vakum uygulayın. HEXA fluoro, ETH etan gazını cihaza bağlayın.
Ardından, reaksiyon odasını uygun miktarda HEXA floro ETH etan gazı ile doldurmak için kütle akış kontrol cihazını ayarlayın. Deneyin istenen basıncını korumak için, tozun daha homojen bir şekilde işlenmesini sağlamak için şişeyi P-E-C-V-D cihazı içinde döndürün. 13.56 megahertz RF jeneratörü ile plazmayı istenen güçte aydınlatın ve yansımayı en aza indirirken gücü en üst düzeye çıkarmak için radyo frekansını lc eşleştirme ünitesiyle ayarlayın.
İşlem tamamlandıktan sonra, kalan hekza, flor ve etan gazının haznesini boşaltın ve ardından kuru hava ile atmosferik basınca boşaltın. Numuneyi P-E-C-V-D aparatından çıkarın ve işlenmiş materyali şişenin kenarlarından 20 mililitrelik bir şişeye geri kazanın. Reaktif olmayan hekza floro etan gazını çıkarmak için açık şişeyi iki saat boyunca 120 santigrat derecede önceden ısıtılmış bir fırına koyun.
İşlem görmüş malzemeyi fırından çıkardıktan sonra, suyun atmosferden emilmesini önlemek için bir kuruya aktarın. Şişede kalan artık malzemeyi suyla durulayın ve atıkları uygun şekilde bertaraf etmek üzere geri kazanmak için filtreleyin. İşlenmiş bakır BTC'yi katı hal flor, nükleer manyetik rezonans Fourier, dönüşüm kızılötesi spektroskopisi ve x-ışını foto elektron spektroskopisi ile karakterize edin.
Bunu takiben, bir çevre odasının istenen sıcaklığını ve bağıl nemini sırasıyla 45 santigrat derece ve% 100'e ayarlayın. Dengelemeden sonra, numuneyi açık bir kapta eşit şekilde yayın ve üç gün boyunca hazneye koyun. Yaşlandırma işlemi tamamlandıktan sonra, bozunma derecesini belirlemek için bakır BTC numunesini x-ışını kırınımı ve 77 kelvin'de bir nitrojen izotermi ile karakterize edin.
Daha sonra, önce 210 mililitre saf amonyak içeren boş bir balast enjekte ederek metre başına beş miligram küp şeklinde 14,6 litrelik bir amonyak balastı hazırlayın. Ardından balastı 15 PS'lik bir basınca kadar sıfır hava ile doldurun. Balastı mikro atılım aparatı ile aynı hizada bağlıyorum. Mikro atılım aparatında boş bir tüp çalıştırın.
Amonyak ve kuru hava için kütle akış kontrolörlerini sırasıyla dakikada sekiz ve 12 mililitreye ayarlayın, böylece dakikada 20 mililitre, metreküp amonyak başına 2000 miligramlık bir akış oluşturun. Amonyağın besleme sinyalini belirlemek için gaz kromatografını ve foto iyonizasyon dedektörünü kontrol etmek için programlanmış bir yöntem çalıştırın. Atık su içinde, nominal dört milimetre iç çaplı bir cam tüp içinde cam prizin altına az miktarda cam yünü yerleştirin.
Numuneyi dört milimetre yüksekliğe kadar doldurun ve malzemeyi tartın. Ardından, emilen suyu çıkarmak için cam tüpten kuru hava akarken numuneyi bir saat boyunca 150 santigrat dereceye ısıtın. Kurutulmuş numuneyi tarttıktan sonra, tüpü aynı hizaya yerleştirin ve 25 santigrat dereceye ayarlanmış bir su banyosuna dik olarak sabitleyin.
Amonyak ve kuru hava için kütle akış kontrolörlerini sırasıyla dakikada sekiz ve 12 mililitreye ayarlayın, böylece metrede 2000 miligram küp amonyakta dakikada 20 mililitrelik bir akış oluştururken, numuneyi besleme gazı ile doldurma hatlarına atlayın. Bunu takiben, amonyak akışını numuneden geçirin ve atık sudaki amonyak konsantrasyonunu izlemek için gaz kromatografını ve foto iyonizasyon dedektörünü kontrol etmek için programlanmış bir yöntem çalıştırın. Atık su konsantrasyonu besleme konsantrasyonuna ulaştığında, amonyak akışını kapatın ve numunenin, numune tarafından güçlü bir şekilde emilmeyen herhangi bir amonyağı gazdan çıkarmasına izin verin.
X-ışını kırınımı ve dört açlı, dönüştürücü kızılötesi analiz yoluyla maruziyet sonrası analiz için numuneyi su banyosundan çıkarın. Son olarak, yeterli koşullar altında floro acan plazması başına muamele edilen numune güveleri için amonyak yüklemesini belirlemek için gaz kromatograf sinyalini zaman verilerine karşı entegre edin, gelişmiş hidrofobiklik göstermelidir. Bu, tozu sıvı suyun üzerine yerleştirerek ve numunenin yüzer olup olmadığını belirleyerek veya preslenmiş bir pelet üzerindeki su temas açısını ölçerek gösterilebilir.
Burada görüldüğü gibi, bakır BTC ve HEXA floro eth etan plazma ile muamele edilmiş bakır BTC peletleri için temas açısı sırasıyla 59 derece ve 123 derece olarak ölçülmüştür. Gözeneklerin yüzeyinde CFX gruplarının varlığı, malzemenin hidrofobikliğine katkıda bulunur ve malzemenin suyu itmesine neden olur. CF bağlarının varlığı, 1300 ile 1.140 ters santimetre arasındaki spektral bantlarla gösterilir.
Burada görülebileceği gibi zayıflatılmış toplam yansıma Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopi sonuçlarında, Fluor ulusunun derecesi ve CFX tür tipinin doğrulanması, burada gösterildiği gibi flor sihirli açısı eğirme nükleer manyetik rezonansı veya x-ışını foto elektron spektroskopisi ile yapılabilir. Bu örnekte gözlenen iki ana flor türü, yaklaşık eksi 87 PP M'de CF, iki grup ve yaklaşık eksi 152 PP M'de CF gruplarıdır. Diğer tüm önemli tepe noktaları, ana tepe noktasından yaklaşık dokuz kilohertz aralıklarla dönen yan bantları temsil eder.
CFX grupları, muhtemelen güvenin iç yüzeyleri ile reaksiyona giren grupların yanı sıra güve kristalinin dış tarafında amorf bir kaplamanın bir kombinasyonudur. CF iki ve CF türleri için dönen yan bantların büyük boyutu ve miktarı, bu CFX gruplarının bakır BTC yapısına sıkı sıkıya bağlı olduğunu ve bakır BTC ve HOF floro ETH etan plazma ile muamele edilmiş bakırın x-ışını kırınım modellerini nispeten hareketsiz olduğunu göstermektedir. BTC örnekleri, üç gün boyunca 45 santigrat derece ve %100 bağıl nemde yaşlandırıldıktan sonra burada resmedilmiştir.
Desenler, işlenmemiş numunenin yapısında neredeyse tamamen bir değişiklik olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte, plazma ile muamele edilen numune, yapıda minimal değişiklikler gösterir. Sonuçlar, zorlu nem koşullarında bile gelişmiş yapısal stabilitenin göstergesidir.
Eskitilmiş bakır BTC ve HOF floro eth Ethan ile muamele edilmiş bakır BTC numunelerinin metre küp başına 2000 miligram konsantrasyonda amonyak için mikro atılım testi burada sunulmaktadır. Atılım eğrilerinin üzerindeki entegrasyon, gram bakır, BTC başına 1,1 milimol amonyak ve hekza floro, ETH etan plazma ile muamele edilmiş bakır BTC başına 5,3 milimol amonyak kapasiteleri sağlar. Yaşlanmadan sonra plazma ile muamele edilmiş bakır BTC numunesinin artan amonyak alımı, yaşlanmış bakır BTC numunesi ile karşılaştırıldığında orijinal bakır BTC kristal yapısının korunmasından kaynaklanmaktadır.
Bu prosedürü denerken, herhangi bir floro alkan plazmasında hidrojen florür ve diğer aşındırıcı gazlar oluşturma potansiyeli olduğunu hatırlamak önemlidir. Vakum pompasındaki tüm boru valflerinin, kütle akış kontrolörlerinin, bağlantıların, contaların korozyona dayanıklı malzemelerden yapıldığından ve düzenli olarak kontrol edildiğinden emin olmak da dahil olmak üzere, kullanıcıyı ve aletleri bu zararlı türlerden korumak için özel dikkat gösterilmelidir. Bu prosedürü takiben, yüzeylerinde florlu türler bulunan birçok yeni mikro gözenekli malzeme geliştirilebilir.
Bu fonksiyonel gruplar sadece malzemenin özelliklerini ve hidrofobikliğini etkilemekle kalmaz, aynı zamanda modifiye edilmiş malzemenin iç yüzeyleri oldukça polar ve kimyasal olarak inert olduğundan absorpsiyon özelliklerini de değiştirir.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu makale, hidrofobik metal-organik yapıların (MOF'ler) su stabilitesini artırmak için hazırlanmasını açıklamaktadır. İşlem, MOF'lerin sentezlenmesini ve perfloralkanlerin plazma ile güçlendirilmiş kimyasal buhar biriktirme ile işlenmesini içermektedir.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Malzeme Bilimi
- Nanoteknoloji
- Kimya Mühendisliği
Arka Plan
- Metal-organik yapılar, gaz depolama ve ayırma potansiyeli olan gözenekli malzemelerdir.
- MOF'lerin hidrofobikliklerinin artırılması, nemli ortamlarda stabilitelerini geliştirebilir.
- Plazma ile güçlendirilmiş kimyasal buhar biriktirme, yüzey özelliklerini değiştirmek için kullanılan bir tekniktir.
- Bu malzemelerin amonyak kapasitesini anlamak, çeşitli alanlarda uygulamaları için kritik öneme sahiptir.
Çalışmanın Amacı
- Hidrofobik bir metal-organik yapı sentezlemek.
- Plazma işleminin hidrofobik özellikleri artırmadaki etkinliğini değerlendirmek.
- İşlem görmüş malzemelerin amonyak alım kapasitesini değerlendirmek.
Kullanılan Yöntemler
- VO termal yöntemleri ile metal-organik yapıların sentezi.
- MOF'lerin perfloralkanlerin plazma ile güçlendirilmiş kimyasal buhar biriktirme ile işlenmesi.
- İşlem görmüş malzemelerin yaşlanması.
- Mikro kırılma aygıtı kullanılarak amonyak kapasitesinin değerlendirilmesi.
Ana Sonuçlar
- HD plazma ile işlem görmüş numuneler, amonyak alımını artırdı.
- İşlem, MOF'lerin hidrofobikliklerini etkili bir şekilde artırdı.
- Sonuçlar, çeşitli gözenekli malzemelerde daha geniş uygulama potansiyeli olduğunu göstermektedir.
- Teknik, farklı ortam koşulları için uyarlanabilir.
Sonuçlar
- Plazma ile güçlendirilmiş kimyasal buhar biriktirme, MOF'leri değiştirmek için uygun bir yöntemdir.
- Gelişmiş stabiliteye sahip hidrofobik MOF'ler geliştirilebilir.
- Bu araştırma, malzeme bilimi alanında daha ileri araştırmalar için yeni yollar açmaktadır.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
Enhancing the stability of metal-organic frameworks (MOFs) under humid conditions addresses a key limitation in their use for gas capture and separation processes. Plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) of perfluoroalkanes provides a solvent-free, scalable method to impart hydrophobicity without compromising porous structure. This approach supports predictive confidence in material performance for downstream applications requiring environmental robustness.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of MOF-based systems for gas adsorption under realistic humidity conditions, reducing false negatives in early screening.
- Operational Value: Provides a reproducible surface modification protocol that preserves intrinsic MOF porosity while enhancing environmental stability.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates hydrophobic MOF variants with quantifiable ammonia uptake capacity, enabling standardized comparison across material candidates.
- Operational Value: Supports assay readiness by producing stable, reusable sorbent materials compatible with microbreakthrough testing platforms.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Demonstrates structural retention after aging at 45°C and 100% RH, indicating translational potential for gas separation in variable environments.
- Operational Value: Enables risk-adjusted material selection by correlating surface fluorination with resistance to hydrolytic degradation.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into discovery workflows by enabling stable MOF synthesis, post-synthetic hydrophobic modification, and functional validation for gas interaction studies.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on structure-property relationships in porous materials by isolating the effect of surface fluorination on gas uptake.
- Screening: Delivers assay-ready, hydrophobic MOF powders with reproducible ammonia breakthrough profiles for compound or material screening.
- Analytics: Provides quantitative dependent variable measurements (ammonia loading in mmol/g) via microbreakthrough integration, enabling condition-to-condition comparison.
- Translational Research: Connects hydrophobic surface modification to preclinical continuity by demonstrating retained crystallinity and function after humid aging.
- Enterprise Reuse: Establishes a platform-agnostic PECVD protocol applicable to diverse microporous materials beyond Cu-BTC, supporting cross-project material stabilization.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Mechanistic de-risking through confirmation that CFx groups penetrate inner MOF surfaces and remain bound under humid stress.
- Operational Value: Standardization via solvent-free PECVD, eliminating batch variability from wet-chemical post-synthetic modification.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions by enabling early assessment of material stability under accelerated aging conditions.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization of MOF candidates based on retained ammonia capacity after humidity exposure.
Implementation Considerations
- Requires expertise in plasma reactor operation, RF matching, and safe handling of fluorinated precursor gases.
- Depends on access to PECVD equipment with precise pressure and mass flow control for uniform powder treatment.
- Necessitates cross-team standardization of aging protocols (e.g., 45°C, 100% RH) and microbreakthrough test conditions for reproducible results.
- Involves adaptation considerations for varying MOF chemistries, as pore accessibility may affect perfluoroalkane plasma penetration depth.
- Includes practical limitations such as potential formation of corrosive byproducts (e.g., HF), requiring corrosion-resistant materials in fluid paths and exhaust systems.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:31
Cu-BTC Synthesis and Preparation
3:09
Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition of Perfluoroalkanes on Cu-BTC
5:23
Aging of Cu-BTC under Humid Conditions and Ammonia Microbreakthrough Experiments
8:07
Results: Characterization of Perfluoroalkane Plasma Treated Metal-Organic Frameworks
11:07
Conclusion
