سنتز نانوساختار متخلخل چارچوب آلی-فلزی بر پایه زیرکونیوم به منظور تخریب عوامل آلاینده شیمیایی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

2 دانشیار، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

3 استادیار، دانشکده مهندسی نساجی، دانشگاه یزد، یزد، ایران

چکیده

محققان با توجه به آثار شدید و زیانبار عوامل شیمیایی بر سلامت انسان و محیط زیست، همواره بدنبال روش‌های موثر پاکسازی و رفع آلودگی بوده اند. در این پژوهش نانوساختارهای چارچوب آلی-فلزی برپایه زیرکونیوم (UiO-66) به دو روش ژل پایه (زیروژل) و حلالی-حرارتی (آئروژل) سنتز شد. مورفولوژی، ساختار کریستالی، خصوصیات تخلخل و سطح مخصوص و همچنین رفتار آنها در برابر تجزیه دی متیل متیل فسفونات (DMMP) به عنوان شبه عامل اعصاب با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، پراش پرتو ایکس (XRD)، ایزوترم جذب گاز نیتروژن (BET) و کروماتوگرافی گازی- طیف سنج جرمی (GC-MS) ارزیابی شد. نتایج بدست آمده نشان‌دهنده سنتز آئروژل و زیروژل UiO-66 با توزیع اندازه یکنواخت و ساختار کریستالی بوده است که بیانگر سنتز موفقیت‌آمیز ترکیبات مذکور می‌باشد. همچنین زیروژل UiO-66 سطح مخصوص و حجم حفرات بیشتری نسبت به نانوکریستال UiO-66 (آئروژل) نشان داد. بررسی‌های عملکرد رفع آلودگی نانوساختارهای چارچوب آلی-فلزی سنتز شده نشان داد که زیروژل UiO-66 با زمان نیمه عمر 6/28 دقیقه، خاصیت کاتالیستی بهتری در مقایسه با آئروژل UiO-66 داشته است، بطوریکه در مدت زمان 120 دقیقه و دمای محیط، حدود 80% از عامل آلاینده DMMP هیدرولیز شده است.

کلیدواژه‌ها


[1] G. W. Wagner and P. W. Bartram, “Reactions of VX, HD, and their simulants with NaY and AgY zeolites. Desulfurization of VX on AgY,” Langmuir, vol. 15, no. 23, pp. 8113–8118, 1999.
[2] V. V. Singh et al., “Multifunctional silver-exchanged zeolite micromotors for catalytic detoxification of chemical and biological threats,” Adv. Funct. Mater., vol. 25, no. 14, pp. 2147–2155, 2015.
[3] S. Fichtner et al., “Decomposition of 2-chloroethylethylsulfide on copper oxides to detoxify polymer-based spherical activated carbons from chemical warfare agents,” J. Hazard. Mater., vol. 262, pp. 789–795, 2013.
[4] M. Florent, D. A. Giannakoudakis, R. Wallace, and T. J. Bandosz, “Mixed CuFe and ZnFe (hydr)oxides as reactive adsorbents of chemical warfare agent surrogates,” J. Hazard. Mater., vol. 329, pp. 141–149, 2017.
[5] M. Florent, D. A. Giannakoudakis, R. Wallace, and T. J. Bandosz, “Carbon Textiles Modified with Copper-Based Reactive Adsorbents as Efficient Media for Detoxification of Chemical Warfare Agents,” ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 9, no. 32, pp. 26965–26973, 2017.
[6] B. Maddah, H. Chamani, and M. Hasanzadeh, “On the Hydrogen Cyanide Removal from Air using Metal loaded Polyacrylonitrile Composite Nanofibers,” J. Chem. Heal. Risks, vol. 7, no. 4, pp. 303–315, 2017.
[7] ب. مداح، ع. یاوری پور، س. حسنی رمدانی، ح. حسینی، م. حسن‌زاده، بهبود جذب گاز سولفید هیدروژن در غشاهای نانولیفی پلی یورتان با استفاده از نانولوله‌های کربنی اصلاح شده با نانوذرات اکسید فلزی، نشریه علمی پژوهشی مواد پیشرفته و پوشش های نوین، دوره 8، شماره 30، 2138-2130، پاییز 1398.
[8] R. Gil-San-Millan et al., “Chemical Warfare Agents Detoxification Properties of Zirconium Metal-Organic Frameworks by Synergistic Incorporation of Nucleophilic and Basic Sites,” ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 9, no. 28, pp. 23967–23973, 2017.
[9] S. Y. Moon et al., “Detoxification of Chemical Warfare Agents Using a Zr6-Based Metal–Organic Framework/Polymer Mixture,” Chem. - A Eur. J., vol. 22, no. 42, pp. 14864–14868, 2016.
[10] M. C. De Koning, M. Van Grol, and T. Breijaert, “Degradation of Paraoxon and the Chemical Warfare Agents VX, Tabun, and Soman by the Metal−Organic Frameworks UiO-66-NH2, MOF-808, NU-1000, and PCN-777,” Inorg. Chem., 2017.
[11] N. A. Khan, Z. Hasan, and S. H. Jhung, “Adsorptive removal of hazardous materials using metal-organic frameworks ( MOFs ): A review,” J. Hazard. Mater., vol. 244–245, pp. 444–456, 2013.
[12] Q. Xia, H. Wang, B. Huang, X. Yuan, J. Zhang, and J. Zhang, “State-of-the-Art Advances and Challenges of Iron-Based Metal Organic Frameworks from Attractive Features , Synthesis to Multifunctional Applications,” Small, vol. 15, p. 1803088, 2019.
[13] Y. Zhao et al., “Metal Organic Frameworks for Energy Storage and Conversion,” Energy Storage Mater., 2015.
[14] L. Wang, Y. Han, X. Feng, J. Zhou, P. Qi, and B. Wang, “Metal-organic frameworks for energy storage: Batteries and supercapacitors,” Coord. Chem. Rev., vol. 307, pp. 361–381, 2016.
[15] H. Ren, J. Jin, J. Hu, and H. Liu, “Affinity between Metal–Organic Frameworks and Polyimides in Asymmetric Mixed Matrix Membranes for Gas Separations,” Ind. Eng. Chem. Res., vol. 51, no. 30, pp. 10156–10164, 2012.
[16] J. Lee, O. K. Farha, J. Roberts, K. A. Scheidt, S. T. Nguyen, and J. T. Hupp, “Metal – organic frameworks issue Metal – organic framework materials as catalysts,” Chem. Soc. Rev., vol. 38, pp. 1450–1459, 2009.
[17] G. W. Peterson et al., “Multifunctional purification and sensing of toxic hydride gases by CuBTC metal-organic framework,” Ind. Eng. Chem. Res., vol. 54, no. 14, pp. 3626–3633, 2015.
[18] S. Beg et al., “Nanoporous metal organic frameworks as hybrid polymer–metal composites for drug delivery and biomedical applications,” Drug Discov. Today, vol. 22, no. 4, pp. 625–637, 2017.
[19] K. Sun et al., “Functionalization of mixed ligand metal-organic frameworks as the transport vehicles for drugs,” J. Colloid Interface Sci., vol. 486, pp. 128–135, 2017.
[20] A. C. Mckinlay et al., “BioMOFs : Metal – Organic Frameworks for Biological and Medical Applications,” Angew. Chemie Int. Ed., vol. 49, no. 36, pp. 6260–6266, 2010.
[21] G. W. Peterson et al., “Tailoring the Pore Size and Functionality of UiO-Type Metal-Organic Frameworks for Optimal Nerve Agent Destruction,” Inorg. Chem., vol. 54, no. 20, pp. 9684–9686, 2015.
[22] M. A. Browe, A. Napolitano, J. B. DeCoste, and G. W. Peterson, “Filtration of chlorine and hydrogen chloride gas by engineered UiO-66-NH2 metal-organic framework,” J. Hazard. Mater., vol. 332, pp. 162–167, 2017.
[23] G. W. Peterson, J. J. Mahle, J. B. Decoste, W. O. Gordon, and J. A. Rossin, “Extraordinary NO2 removal by the metal-organic framework UiO-66-NH2,” Angew. Chemie - Int. Ed., vol. 55, no. 21, pp. 6235–6238, 2016.
[24] M. Aghajanzadeh, M. Zamani, and H. Molavi, “Preparation of Metal – Organic Frameworks UiO-66 for Adsorptive Removal of Methotrexate from Aqueous Solution,” J. Inorg. Organomet. Polym. Mater., vol. 28, no. 1, pp. 177–186, 2018.
[25] M. Hasanzadeh, A. Simchia, and H. Shahriyari Far, “Nanoporous composites of activated carbon-metal organic frameworks for organic dye adsorption: Synthesis, adsorption mechanism and kinetics studies,” J. Ind. Eng. Chem., vol. 81, pp. 405–414, 2020.
[26] M. Hasanzadeh, A. Simchi, and H. S. Far, “Kinetics and adsorptive study of organic dye removal using water-stable nanoscale metal organic frameworks,” Mater. Chem. Phys., vol. 233, no. October 2018, pp. 267–275, 2019.
[27] G. W. Peterson, A. X. Lu, and T. H. Epps, III, “Tuning the Morphology and Activity of Electrospun Polystyrene/ UiO-66-NH2 Metal-Organic Framework Composites to Enhance Chemical Warfare Agent Removal,” ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 9, no. 37, pp. 32248–32254, 2017.
[28] س.ل. شریفی آل هاشم، م. صادقی، تهیه کامپوزیت نانو ذرات منگنز دی اکسید/ زئولیت AgYو بررسی واکنش آن با 2-کلرو اتیل فنیل سولفید و دی متیل متیل فسفونات، نشریه علوم و فناوری پدافند نوین، دوره 3، شماره 2، 178-169، تابستان 1391.
[29] م. نجفی، س. منزوی، م. تقی زاده، بررسی خواص حسگری گرافن اکسید احیا شده با عوامل مختلف برای آشکارسازی دی متیل متیل فسفونات، نشریه علوم و فناوری پدافند نوین، دوره 7، شماره 4، 269-276، زمستان 1395.
[30] J. E. Mondloch et al., “Destruction of chemical warfare agents using metal–organic frameworks,” Nat. Mater., vol. 14, no. 5, pp. 512–516, 2015.
[31] E. Lõpez-Maya et al., “Textile/metal-organic-framework composites as self-detoxifying filters for chemical-warfare agents,” Angew. Chemie - Int. Ed., vol. 54, no. 23, pp. 6790–6794, 2015.
[32] Y. S. Seo, N. A. Khan, and S. H. Jhung, “Adsorptive removal of methylchlorophenoxypropionic acid from water with a metal-organic framework,” Chem. Eng. J., vol. 270, pp. 22–27, 2015.
[33] N. A. Khan, B. K. Jung, Z. Hasan, and S. H. Jhung, “Adsorption and removal of phthalic acid and diethyl phthalate from water with zeolitic imidazolate and metal–organic frameworks,” J. Hazard. Mater., no. 282, pp. 194–200, 2015.
[34] J. Qiu, Y. Feng, X. Zhang, M. Jia, and J. Yao, “Acid-promoted synthesis of UiO-66 for highly selective adsorption of anionic dyes: Adsorption performance and mechanisms,” J. Colloid Interface Sci., vol. 499, no. March, pp. 151–158, 2017.
[35] M. J. Katz et al., “Simple and compelling biomimetic metal-organic framework catalyst for the degradation of nerve agent simulants,” Angew. Chemie - Int. Ed., vol. 53, no. 2, pp. 497–501, 2014.
[36] E. Article, C. J. Stephenson, T. Hupp, and O. K. Farha, “Exploiting parameter space in MOFs : a 20-fold enhancement of phosphate-ester hydrolysis with,” Chem. Sci., vol. 6, pp. 2286–2291, 2015.
[37] G. W. Peterson and G. W. Wagner, “Detoxification of chemical warfare agents by CuBTC,” J. Porous Mater., vol. 21, no. November 2013, pp. 121–126, 2014.