Patryk Florczak

„Synteza, charakterystyka oraz katalityczne właściwości materiałów
MOF”
Patryk Florczak
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za
strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Problematyka pracy doktorskiej koncentruje się na syntezie i badaniu materiałów
określanych akronimem MOF (Metal Organic Frameworks). Powstają one w wyniku
połączenia dwóch segmentów różnej natury, kationów metali, stanowiących „węzły”
metaliczne oraz cząsteczek organicznych występujące w roli
„mostków”.
Połączenie
„węzłów”
z
„mostkami”
tworzy
zorganizowane i powtarzające się trójwymiarowe elementy,
tworzące sieć krystaliczną. Budowa tych materiałów pozwala
uzyskać w ich wnętrzu puste przestrzenie. Znamienną cechą
materiałów MOF jest to, że wolne przestrzenie stanowią
znaczącą część ich objętości przez co charakteryzują się
rekordowo wysokimi powierzchniami właściwymi (6000 m2/g).
Struktura materiału MOF-5
Badania prowadzone w pracy doktorskiej obejmują syntezę materiałów MOF, ich
szeroką charakterystykę, jak również badania nad ich potencjalnymi zastosowaniami.
Przeprowadzono szereg syntez w wyniku których otrzymano całą gamę materiałów o
strukturach identycznych jak te prezentowane w literaturze. Należą do nich takie materiały
jak: MOF-5, Cu3BTC2, MIL-101(Cr), MIL-53(Cr), MIL-100(Fe), MIL-47 oraz materiały o
strukturach zeolitowych (o strukturze sodalitu) ZIF-8, Cu(IM)2B. Prowadzono również szeroko
rozumianą modyfikację tych materiałów (zarówno na etapie syntezy jak i po zakończonej
syntezie). Udało się otrzymać materiały posiadające „dodatkowe” grupy funkcyjne elektronodonorowe lub akceptorowe (-NH2, -NO2) w segmentach organicznych.
Materiały MOF mogą być wykorzystane do oddzielania CO2 obecnego w gazach
odlotowych z elektrowni jak również do jego magazynowania. Przeprowadzone pomiary
adsorpcji CO2 na otrzymanych materiałach MOF wskazują, że istotnym czynnikiem
wpływającym na ilość zaadsorbowanego CO2 jest specyficzne oddziaływanie tego gazu z
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
materiałem MOF. Materiały posiadające mostkowe grupy hydroksylowe, które mogą
oddziaływać z cząsteczkami tlenku węgla (IV) wykazują najwyższą zdolność pochłaniania
CO2.
Ogromne nadzieje wiązane są z wykorzystaniem materiałów MOF w przemyśle
chemicznym w roli katalizatorów. Prowadzone badania nad katalitycznym wykorzystaniem
materiałów MOF mają na celu opracowania prostych i ekonomicznych procesów
otrzymywania α-tetralonu oraz trimetylobenzochinonu.
α-Tetralon jest związkiem pośrednim w przemyśle farmaceutycznym do wytwarzania
środków antykoncepcyjnych, antyseptycznych czy preparatów zapachowych. Dodawany do
oleju napędowego zwiększa jego liczbę cetanową. Może być także stosowany jako związek
pośredni do produkcji preparatów owadobójczych. Przeprowadzone testy katalityczne
wykazały, że materiały MOF są wydajnymi katalizatorami tego procesu. Najefektywniejszym
katalizatorem, był ZIF-Cu(IM)2B co związane jest z występowaniem specyficznego wiązania
pomiędzy atomami azotu występującymi w cząsteczkach ligandów a kationami miedzi.
Dużą nowością naukową jest prowadzenie procesu utleniania trimetylofenolu do
trimetylobenzochinonu
przy
udziale
materiałów
MOF
w
roli
katalizatorów.
Trimetylobenzochinon jest półproduktem stosowanym w syntezie witaminy E. Dzięki
właściwością przeciwutleniającym, witamina E wpływa korzystnie działa na układ krążenia
oraz układ odpornościowy. Stosowana jest również jako powszechnie akceptowany środek
konserwujący żywność (E-306). Obecnie proces utleniania trimetylofenolu prowadzony jest w
przemyśle w warunkach generujących znaczne ilości odpadów. Wykazano, że materiały
MOF mogą być aktywnymi katalizatorami tego procesu, szczególnie aktywne były materiały
zawierające miedź i wanad.
Bardzo nowatorskim kierunkiem badań jest synteza nowych pigmentów poprzez
enkapsulowanie cząsteczek chromoforów (dmit2-, oraz analogi Maya Blue – indygo) w
materiałach MOF. Uzyskano nowe pigmenty o szerokim zakresie barw. Szczególnie ciekawe
rezultaty obserwowano gdy w roli matryc wykorzystywane były materiały ZIF cechujące się
większą odpornością chemiczną. Oddziaływanie chemiczne (np. wiązania koordynacyjne)
chromoforu z powierzchnią wewnętrzną matrycy pozwala na trwałe zakotwiczenie jak
również może być wykorzystane do modulowanie zabarwienia pigmentu przez dobór
odpowiedniego kationu matrycy.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego