CC BY
0УДК 541.14 Сопыева О., Рахманов М.
Сопыева О.
преподаватель кафедры «Неорганической и аналитической химии», Туркменский государственный университет им. Махтумкули (г. Ашгабад, Туркменистан)
Рахманов М.
студент Химического факультета, Туркменский государственный университет им. Махтумкули (г. Ашгабад, Туркменистан)
СИНТЕЗ И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИХ КАРКАСНЫХ СТРУКТУР (MOF) В КАТАЛИЗЕ
Аннотация: металлоорганические каркасные структуры (Metal-Organic Frameworks, MOFs) представляют собой класс пористых материалов, состоящих из металлических ионов или кластеров, соединенных органическими лигандами. Эти материалы привлекают значительное внимание благодаря своей высокой пористости, большим площадям поверхности и возможности тонкой настройки структуры. В последние годы MOFs нашли широкое применение в катализе, где они используются для ускорения различных химических реакций.
Ключевые слова: синтез, применение, металлоорганические каркасные структуры, катализ, пористость, гетерогенный катализ, фотокатализ.
Металлоорганические каркасы (МОФ) возникли как замечательный класс материалов, привлекающий значительное внимание в области катализа благодаря своим уникальным свойствам. Эти гибридные органо-неорганические структуры характеризуются пористым каркасом, состоящим из ионов или кластеров металлов, координированных с органическими лигандами. Синтез и
применение МОФ в катализе открыли новые возможности для разработки высокоэффективных и селективных каталитических процессов.
Синтез MOF включает самосборку ионов металлов и органических линкеров в контролируемых условиях. Этот процесс обычно происходит в сольвотермальной или гидротермальной среде, где компоненты растворяются в растворителе и нагреваются для облегчения кристаллизации. Выбор ионов металлов и органических лигандов играет решающую роль в определении свойств получаемого MOF. Переходные металлы, такие как цинк, медь, железо и цирконий, обычно используются из-за их благоприятной координационной химии. Органические лиганды обычно представляют собой политопные молекулы, содержащие функциональные группы, такие как карбоксилаты, сульфонаты или фосфонаты, которые могут эффективно координироваться с ионами металлов с образованием стабильных каркасов.
Универсальность MOF объясняется огромным количеством возможных комбинаций ионов металлов и органических лигандов, что позволяет создавать материалы с индивидуальными свойствами. Варьируя природу компонентов и условия синтеза, можно получать МОКС с разными размерами пор, формой и функциональными группами. Эта возможность настройки особенно выгодна для каталитических применений, поскольку позволяет создавать катализаторы с определенной площадью поверхности, объемом пор и активными центрами.
Одним из ключевых преимуществ MOF в катализе является их высокая площадь поверхности, которая обеспечивает многочисленные активные центры для каталитических реакций. Пористая природа MOF позволяет диффундировать реагентам и продуктам через каркас, способствуя эффективному катализу. Более того, способность включать различные функциональные группы в структуру MOF может усиливать каталитическую активность за счет создания дополнительных реакционноспособных центров или изменения электронного окружения активных центров.
MOFs используются в широком спектре каталитических процессов, включая адсорбцию, разделение и химические превращения газов. При
адсорбции и разделении газов MOF показали исключительные результаты благодаря своей большой площади поверхности и регулируемому размеру пор. Например, MOF использовались для избирательного улавливания и хранения таких газов, как углекислый газ, метан и водород. Эта возможность представляет большой интерес для приложений по хранению, очистке и восстановлению окружающей среды.
При химических превращениях МОФ продемонстрировали замечательную каталитическую активность в различных реакциях, включая реакции окисления, восстановления и сочетания. Например, MOF, содержащие металлоцентры, такие как палладий, рутений и железо, использовались в качестве катализаторов окисления спиртов до альдегидов и кетонов. Большая площадь поверхности и пористость MOF облегчают адсорбцию и активацию реагентов, что приводит к повышению скорости реакции и селективности.
Кроме того, MOF использовались в качестве катализаторов при гидрировании ненасыщенных соединений. Включение переходных металлов, таких как никель и кобальт, в структуру MOF обеспечивает активные центры для адсорбции и активации водорода, обеспечивая эффективные реакции гидрирования. Возможность настраивать свойства MOF путем модификации металлоцентров и органических лигандов позволяет оптимизировать каталитические характеристики.
Одним из новых применений MOF в катализе является фотокатализ. МОФ с фотоактивными металлическими центрами или лигандами способны поглощать свет и генерировать возбужденные состояния, которые могут участвовать в фотохимических реакциях. Например, МОК, содержащие титан или цирконий, использовались в качестве фотокатализаторов разложения органических загрязнителей под действием видимого света. Большая площадь поверхности и пористость MOF усиливают поглощение света и облегчают диффузию реагентов к активным центрам, что приводит к эффективной фотокаталитической активности.
Несмотря на многочисленные преимущества МОФ в катализе, существуют и проблемы, которые необходимо решить. Одной из основных проблем является стабильность МОФ в каталитических условиях. Многие MOF чувствительны к влаге, теплу и химической среде, что может привести к деградации каркаса и потере каталитической активности. Поэтому разработка стабильных MOF с надежной структурой является активной областью исследований. Для повышения стабильности этих материалов были изучены такие стратегии, как включение более стабильных металлических центров, использование жестких лигандов и постсинтетическая модификация MOF.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Furukawa, H., Cordova, K. E., O'Keeffe, M., & Yaghi, O. M. (2013). The Chemistry and Applications of Metal-Organic Frameworks. Science, 341(6149), 1230444. doi: 10.1126/science. 1230444;
2. Li, H., Eddaoudi, M., O'Keeffe, M., & Yaghi, O. M. (1999). Design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal-organic framework. Nature, 402(6759), 276-279. doi:10.1038/46248;
3. Zhou, H. C., Long, J. R., & Yaghi, O. M. (2012). Introduction to Metal-Organic Frameworks. Chemical Reviews, 112(2), 673-674. doi:10.1021/cr300014
Sopyeva O., Rahmanov M.
Sopyeva O.
Turkmen State University named after Magtymguly (Ashgabat, Turkmenistan)
Rahmanov M.
Turkmen State University named after Magtymguly (Ashgabat, Turkmenistan)
SYNTHESIS AND APPLICATION OF ORGANOMETALLIC FRAMEWORK STRUCTURES (MOF) IN CATALYSIS
Abstract: Metal-Organic Frameworks (MOFs) are a class of porous materials consisting of metal ions or clusters connected by organic ligands. These materials have attracted considerable attention due to their high porosity, large surface areas, and the ability to fine-tune the structure. In recent years, MOFs have found widespread use in catalysis, where they are used to speed up various chemical reactions.
Keywords: Synthesis, application, metal-organic framework structures, MOF, catalysis, porosity, heterogeneous catalysis, photocatalysis.
