Estruturas metálicas orgânicas (MOFs) são uma classe promissora de materiais que têm muitas aplicações como catalisadores, sensores e para armazenamento de gás. Amplamente estudado nas últimas duas décadas, MOFs são normalmente produzidos usando processos químicos que requerem alto calor e alta pressão.

Agora, Os químicos Joel Rosenthal e Eric Bloch da Universidade de Delaware relatam que é possível produzir materiais MOF à base de ferro diretamente usando eletricidade renovável em temperatura ambiente.

O método desenvolvido pela UD é 96% eficiente no uso de eletricidade para formar os materiais MOF rapidamente, confiável e barato. Os pesquisadores da UD relataram o avanço em um novo artigo publicado em ACS Central Science .

De acordo com Rosenthal, professor de química e bioquímica na Faculdade de Artes e Ciências da UD, uma maneira fácil de pensar sobre MOFs é imaginar brinquedos de mexer, onde aglomerados de átomos de metal representam as rodas de madeira do brinquedo e pequenas moléculas orgânicas representam as varetas finas que conectam os aglomerados.

No meio estão os vazios com um enorme potencial para armazenamento e separação de produtos químicos. Por exemplo, uma pilha de material MOF do tamanho de uma ervilha tem uma área de superfície interna do tamanho de dois campos de futebol que pode ser usada para armazenar gases como metano ou hidrogênio, separar gases e catalisar reações. Eles podem até ser usados ​​como sensores.

"A qualidade dos materiais que podemos produzir é tão boa quanto o que você poderia esperar dos melhores métodos térmicos, mas muito mais escalonável e sustentável, "disse Rosenthal, um especialista em eletroquímica. "Nossa descoberta é um grande passo para tornar os MOFs uma opção mais prática para muitas aplicações diferentes."

Eletricidade impulsiona a química

Um desafio que restringiu os MOFs aos laboratórios acadêmicos é que torná-los em grande escala é difícil e não é particularmente ecológico. Então, Rosenthal teve a ideia de começar a usar eletricidade para acionar a síntese de MOFs. O uso de eletricidade permite que a quantidade de energia introduzida em um processo sintético seja facilmente ajustada à temperatura ambiente, criando uma maneira mais segura de fazer MOFs sem altas temperaturas, altas pressões e às vezes reagentes tóxicos que são normalmente usados.

Dirija até o sopé da Delaware Memorial Bridge e nos lados de Delaware e New Jersey você verá fábricas de química que têm o tamanho de uma pequena arena ou estádio. Essas plantas abrigam alguns reatores que realizam um punhado de reações químicas diferentes para tornar os produtos químicos úteis para a sociedade.

"Para realizar com eficiência muitos processos químicos térmicos em escalas comerciais ou de commodities geralmente requer essas grandes pegadas e infraestrutura muito cara, mas a eletroquímica fornece uma maneira de quebrar essas regras, "disse Rosenthal." Você não precisa construir uma planta eletroquímica gigante para escalar com eficiência um método eletroquímico. A eletrossíntese costuma ser muito mais versátil em termos de tradução de um laboratório acadêmico para o mercado comercial. "

A química não é tão simples quanto uma criança sentada na sala conectando rodas e varas, no entanto. Os avanços na síntese de MOF até agora têm sido limitados pelas combinações de metais que podem ser usados ​​e os tipos de materiais sintéticos e orgânicos que podem ser combinados usando abordagens térmicas.

O artigo se concentra especificamente na preparação de materiais MOF usando aglomerados de átomos de ferro. Rosenthal e Bloch não são os primeiros a fazer MOFs de ferro. Tradicionalmente, Rosenthal explicou, pesquisadores fazem esses materiais tomando um sal de ferro (3+), uma molécula orgânica e um solvente relativamente caro que se decompõe sob certas condições de reação e aquece tudo em um recipiente selado a altas pressões por pelo menos um dia, às vezes vários dias, em seguida, abri-lo e ver o que eles obtêm.

Por contraste, ele e Bloch começam com uma solução contendo solvente, moléculas orgânicas e íons de ferro (2+), que tem um elétron extra que muda a maneira como o ferro se comporta. Os pesquisadores usam um eletrodo feito de carbono ou um tipo de vidro condutor para passar eletricidade pela solução e alternar a carga das partículas de metal na solução de ferro (2+) para ferro (3+). É como um interruptor, tornando o ferro mais altamente carregado para que ele possa produzir o MOF de uma forma direta e eficiente, sem reações colaterais ou efeitos típicos dos métodos tradicionais de química térmica.

"Como o eletrodo está tirando elétrons do ferro, esse ferro vai e encontra um ligante orgânico e faz algum MOF. É quase 100% eficiente, em que cada elétron que movemos resulta na síntese MOF. Não existem reações colaterais ou produtos indesejados, "disse Bloch, professor assistente de química e bioquímica, especializado em estruturas metálicas orgânicas e materiais adsortivos.

Avançar, se o tipo certo de eletrodo for usado, é possível fazer mais do que criar e coletar o produto MOF. A equipe de pesquisa pode cultivar o material diretamente no substrato eletricamente condutor, uma vantagem que pode permitir que MOFs sejam usados ​​em vários dispositivos e suportes padronizados, trazendo sensores MOF avançados ao seu alcance.

Rosenthal explicou que, para transformar um MOF em um sensor, é necessário interconectá-lo com um suporte eletricamente condutor para obter uma leitura. Isso não é algo que a comunidade de pesquisa descobriu como fazer bem, até agora, ele disse. Sintetizar eletroquimicamente e aumentar o MOF no suporte de eletrodo da equipe UD fornece uma maneira de conectar o MOF para uma melhor comunicação entre os materiais.

Uma maneira pela qual essa tecnologia pode ser usada é em sensores em miniatura, talvez em telefones celulares para medir a qualidade do ar ou para detectar seletivamente partículas no ar como parte das medidas de segurança em aeroportos.

"Detectar gases e moléculas agora pode ser bastante simples, semelhante à maneira como seu detector de fumaça funciona para detectar um tipo de gás em detrimento de outro com base em sua reatividade, "disse Bloch.

A reação eletrossintética é rápida, também, fazendo com que o pó de MOF se forme na solução em minutos. E, embora os materiais que permanecem por muito tempo em solução muitas vezes se degradem com o tempo ou se tornem um material inteiramente diferente devido a reações colaterais, Os materiais MOF criados por eletrossíntese são estáveis ​​e simplesmente acomodam-se no fundo do frasco. Uma vez que o processo eletrossintético é realizado à temperatura ambiente, a decomposição do material é muito menos preocupante.

Quanto mais tempo a eletrólise é executada, quanto maior a quantidade de material MOF que pode ser desviado como um produto. A simplicidade do método o torna versátil em termos de traduzi-lo de uma bancada de laboratório acadêmico para o mercado comercial, também, disseram os pesquisadores.

Aluna Anna Weaver, um co-autor no artigo, só chegou à UD neste verão, mas Rosenthal disse que desempenhou um papel fundamental na demonstração da eficácia do método da equipe. Weaver realizou vários experimentos de estágio final que forneceram dados adicionais para o papel.

"A capacidade de Anna de fazer contribuições tão rapidamente fala de seus talentos e da facilidade com que essa química pode ser realizada. Não é preciso aprender uma arte negra para fazer isso funcionar, " ele disse.

A química acionada eletricamente também abre a porta para a exploração de materiais que foram previstos como tendo excelentes propriedades para MOFs, como aqueles baseados em cobalto, mas permanecem desconhecidos porque são incompatíveis com as químicas tradicionais que dependem do calor para colocar a reação em movimento.

"Como catalisadores, sabemos que certos metais seriam fenomenais como MOFs, mas os métodos normais não funcionam. Achamos que este é um caminho para fazer novos MOFs estáveis ​​e muito reativos com propriedades totalmente diferentes das que conseguimos acessar antes, "disse Bloch.

Outros co-autores do artigo incluem alunos de graduação atuais ou ex-UD nos laboratórios de Rosenthal e Bloch, incluindo Wenbo Wu, Gerald E. Decker e Amanda Arnoff.