Trong những năm gần đây, một họ vật liệu lai hóa tổ hợp đã được nghiên cứu tổng hợp thành công, với nhiều đặc tính thú vị gọi là MOFs (Metal-Organic Frameworks) hoặc các polymer tổ hợp kim loại (Metal Coordination Polymer). Chúng được tạo thành từ các trung tâm kim loại liên kết với nhau bởi các cầu nối hữu cơ phosphonat, cacboxylate hoặc sulfonate. Một trong những vật liệu này đã được các nhà khoa học ở Versailles-Pháp tổng hợp và được đặt tên là MIL-53 (Material of Instutute Lavoisier).
Tổng hợp MIL-53 được thực hiện dưới áp suất trong một autoclave, các nitrat crôm Cr (NO3) 3.H2O được trộn với axit terephthalic HOOC-(C6H4)-COOH và axit HF hydrofluoric, sau đó duy trì nhiệt độ ở 220 ° C trong 3 ngày. Cấu trúc của MIL-53 được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X.
Các ion crom (màu xanh trên hình) liên kết với các nguyên tử ôxy (màu đỏ) để tạo thành các hàng song song. Những hàng này được liên kết với các phân tử hữu cơ (các ion terephthalic màu đen) để tạo một mạng lưới ba chiều. Các mạng này được ấn định tạo thành các hốc trống có kích thước (9×11 angstrom) gọi là các mao quản (pores).
Khi tiếp xúc với không khí ẩm, các lỗ mao quản hấp phụ ngay lập tức các phân tử nước, do đó cấu trúc của chúng bị thu nhỏ lại xung quanh các phân tử nước và kích thước phân tử của nó giảm đáng kể gần 39% . Điều bất ngờ hơn là khi đun nóng để đuổi hết các phân tử nước, cấu trúc của chúng có thể khôi phục lại như kích thước ban đầu của nó.
Ta có thể hình dung đặc tính “hít thở-breathing” của vật liệu này, chúng có thể co dãn để cố định và giải phóng cả phân tử nước giống như sự hít thở không khí của những lá phổi.
Các nghiên cứu gần đây cho thấy, MIL-53 không những chỉ “hít thởi” giới hạn bởi các phân tử nước mà còn các phân tử khác như các hydrocacbon, CO2 và hydro. Các lưu trữ công nghiệp của hydro là một trong những thách thức của tương lai. Với sự hiện diện của hydro, MIL-53 “nuốt” các hydro đến 3,1% trọng lượng, kết quả vượt trội hơn này có thể là do sự khôi phục lại cấu trúc banh đầu ngay lập tức sau khi đung nóng. Điều này cho thấy rõ những ứng dụng tiềm năng của MIL-53.
MIL-53 có thể được dùng để giam giữ, để lưu trữ và vận chuyển hydro dùng cho xe ô tô trong tương lai. Ngoài ra MIL-53 còn có khả năng ứng dụng làm xúc tác, hấp phụ, tách chất, lưu trữ khí để xử lý môi trường.
Cấu trúc “breathing” của MIL-53
Bằng cách thay đổi các trung tâm oxít của các kim loại khác nhau và thay đổi các cầu nối hữu cơ (ligand). Hiện nay, nhóm nghiên cứu của GS Férey đã tổng hợp được nhiều dạng MIL-53 khác nhau như MIL-53(Al), MIL-53(Cr), MIL-53(Fe), MIL-53(Fe)-OH, MIL-53(Fe)-CH3…
Khương Trung Thủy
Tài liệu tham khảo
1. G. Férey, M. L., C. Serre, F. Millange, T. Loiseaua, A. P. Guéganb, Hydrogen adsorption in the nanoporous metal-benzenedicarboxylate M(OH)(O2C–C6H4–CO2) (M = Al3+, Cr3+), MIL-53. Chem. Commun. 2003, 2976–2977.
2. Bourrelly, S.; Llewellyn, P. L.; Serre, C.; Millange, F.; Loiseau, T.; Ferey, G., Different Adsorption Behaviors of Methane and Carbon Dioxide in the Isotypic Nanoporous Metal Terephthalates MIL-53 and MIL-47. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, (39), 13519-13521.
3. T. Loiseau, C. S., C. Huguenard, G. Fink, F. Taulelle, M. Herry, T. Bataille, G. Férey, A Rationale for the Large Breathing of the Porous Aluminum Terephthalate(MIL-53) Upon Hydration. Chem. Eur. J. 2004, 10, 1373-1382.
4. Serre, C.; Millange, F.; Thouvenot, C.; Nogues, M.; Marsolier, G.; Louer, D.; Férey, G. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 13519.
5. Khuong Trung, T.; Trens, P.; Tanchoux, N.; Bourrelly, S.; Llewellyn, P. L.; Loera-Serna, S.; Serre, C.; Loiseau, T.; Fajula, F.; Férey, G. J. Am.Chem.Soc. 2008, 130, 16926.
Leave a Reply