< Terug naar vorige pagina

Project

Metaal-organische roosters gevormd als schillen en proppen in poreuze dragermaterialen; toepassingen in adsorptie en katalyse.

Metaal-organische roosters zijn kristallijne nanoporeuze materialen opgebouwd uit anorganische metaal-bevattende nodes in een netwerk geïnterconnecteerd met polytopische organische liganden. Dergelijke materialen zijn veelbelovend voor vernieuwende toepassingen in diverse industrieën omwille van hun hoge specifieke oppervlakken, synthetische flexibiliteit en aanstuurbare structuur-eigenschap verhoudingen. Ze kunnen als bulkmateriaal gebruikt worden voor toepassingen zoals katalyse, moleculaire scheiding en gasopslag. Voor fabricage van geassembleerde toepassingen met geïntegreerde metaal-organische roosters is directe immobilisatie van deze materialen op dragers nodig, d.w.z. materiaalsynthese via dunnefilmdepositie. Voorbeelden van beloftevol toepassingen van dit type zijn chemische sensoren, microchips, supercapaciteiten en andere (opto)elektronica. Onderzoek naar de laatstgenoemde toepassingen is recent aan een opmars bezig en veroorzaakt een groeiende vraag naar gepaste processen voor integratie van metaal-organische roosters.

In dit doctoraatsonderzoek worden nieuwe routes voor integratie van metaal-organische roosters verkend. Het beoogde doel van dit onderzoek is het ontwikkelen van verbeterde productieprocessen voor metaal-organische roosters, met aandacht voor de industriële toepasbaarheid. De hoofdtekst van dit manuscript is een compilatie van vijf peer-reviewed  artikels, in de gepubliceerde vorm, en hieraan gekoppelde ondersteunende informatie. Een inleiding en algemene conclusie zijn hieraan toegevoegd om achtergrondinformatie over de positie van het onderzoek in het overkoepelende onderzoeksveld te voorzien.

Het eerste deel van het manuscript bespreekt de integratie van zirkonium(IV)carboxylaat metaal-organische roosters. Robuustheid en chemische flexibiliteit maken deze materalen erg interessant voor toepassingen. De kristallisatie van deze materialen is echter moeilijk te controleren en dit is problematisch  tijdens filmdepositie. Elektrochemische depositie van deze materialen wordt aangetoond als een nieuwe integratiemethode via gecontroleerde depositie op geleidende oppervlakken met behulp van twee fundamenteel verschillende elektrochemische routes. Synthesemodulatie kan bijkomend toegepast worden om de filmmorfologie en –adhesie aan te sturen. Het nut van de integratie van deze materialen wordt geïllustreerd via een conceptuele implementatie in een sorbentval voor analytische monstername van vluchtige organische componenten. Het buitengewone potentieel van zirkonium(IV)carboxylaat metaal-organische rooster films op elektrodes in veldeffect gassensoren wordt vervolgens aangetoond met behulp van Kelvin probe sensorexperimenten. Parts-per-billion sporenconcentraties van volatiele fosfonaten kunnen reproduceerbaar gedetecteerd worden uit zowel droge als vochtige lucht. Deze gevoeligheid wordt verklaard door sterke fysisorptie van de te analyseren stof ter hoogte van roosterdefecten in de nauwe kooien van het metaal-organische rooster. Deze resultaten tonen daarenboven aan dat er toekomst is in het oordeelkundig ontwerpen van metaal-organische roosters voor gevoelige detectie van specifieke stoffen.

Het tweede deel van het manuscript behandelt de transformatie van gedeponeerde metaaloxides tot metaal-organische rooster films. Metaaloxides zijn veelbelovende sacrificiële precursormaterialen voor integratie van metaal-organische roosters omdat hun gecontroleerde depositie op dragers via gevestigde technieken kan gebeuren. Transformatie van metaaloxides tot metaal-organische roosters kan via reacties met oplossingen gebeuren, maar eliminatie van de rol van het solvent tijdens deze processen is interessant omwille van meerdere redenen zoals duurzaamheid, industriële compatibiliteit en het voorkomen van ongewenste dissolutie. Solventvrije routes voor de omzetting van zinkoxide naar zeolitische imidazolaatroosterfilms worden daarom onderzocht. In een eerste aanpak worden zinkoxidefilms gereageerd met een gesmolten imidazoolgebaseerd ligand. Accurate replicatie van zinkoxidepatronen en mesoscopische architecturen toont aan dat de spatiale lokalisatie van de kristallisatie gestuurd wordt door de vaste toestand van de bron van zinkionen. In een tweede aanpak worden nanoschaal metaal-organische roosterfilms vervaardigd door heterogene chemische reactie van verdampte organische liganden en zeer dunne metaaloxidefilms. Dit onderzoek is de eerste experimentele verwezenlijking van een dampdepositieproces voor een nanoporeus en kristallijn roostermateriaal. Het unieke karakter van de methode wordt aangetoond door realisatie van conforme depositie op hoge-vormverhouding dragers en door het vervaardigen van microscopische patronen via additieve fotolithografie. Het groeipotentieel van het ontwikkelde dampdepositieproces is aanzienlijk omwille van de mogelijkheid tot extensie naar verscheidene klassen van metaal-organische roosters. Dit proces kan daarom een belangrijke rol spelen in het toekomstig onderzoek naar de integratie van deze materialen in geassembleerde toepassingen.

Datum:1 okt 2012 →  30 sep 2016
Trefwoorden:Hydrophobic, Coating, Catalysis, Adsorption, Metal-organic framework
Disciplines:Analytische chemie, Macromoleculaire en materiaalchemie, Anorganische chemie, Composieten en hybride materialen, Katalytische reactietechnieken, Chemisch productontwerp en formulering, Algemene chemische en biochemische ingenieurswetenschappen, Process engineering, Scheidings- en membraantechnologie, Transportfenomenen, Andere (bio)chemische ingenieurswetenschappen
Project type:PhD project