in

Metal Organik Kafes Yapıları Nedir?

Metal organik kafes yapıları ile ilgili çalışmalar ilk olarak 1989 yılında başlamıştır. 1989’da ve 1990’da Hoskins ve Robson tarafından yapılan çalışmalar metal-organik kafes yapıların başlangıcı sayılabilir.

Metal-organik kafes yapılar iyon veya iyon kümelerinden oluşan metal düğümlerin organik ligandlarla bağlanarak oluşturduğu bir, iki veya üç boyutlu kristalin gözenekli yapılardır. Organik ligandlar ve metal iyonlarının oluşturduğu birincil yapı birimleri ve ikincil yapı birimlerinden oluşurlar. Metal-organik kafes yapılar, kristallerin şekli, gözenekliliği, yüksek yüzey alanı, optik, elektrik ve manyetik özellikleri nedeniyle artan kullanım alanları çeşitliliğiyle son yıllarda üzerinde çalışılan önemli malzemelerdendir.

1 boyutlu, 2 boyutlu ve 3 boyutlu metal organik kafes yapılar

Metal Organik Kafes Yapıları Kullanım Alanları

Bor içeren metal-organik kafes yapıları ile ilgili çalışmalar ise 2007 yılında bor kaynağı olarak boronik asit kullanılarak başlamıştır. Bor içeren metal-organik kafes yapılar sensörlerde, floresans malzeme ve diyotlarda kullanılmaktadır. Karboran kullanılarak hazırlanan metal-organik kafes yapıların boronik asit kullanılarak hazırlanan yapılardan termal ve kimyasal olarak daha kararlı oldukları görülmüştür. Bu tür metal-organik kafes yapılar bor nötron yakalama terapisi, ilaç taşıma sistemleri ve moleküler taşıma sistemlerinde kullanılır.

Gözenekli koordinasyon polimerleri olarak da bilinen metal-organik kafes yapıların yüksek gözenekliliğe ve yüksek yüzey alanına sahip olması nedeniyle gaz depolama, saflaştırma, ayırma, heterojen katalizör ve ilaç taşıma gibi önemli kullanım alanları bulunmaktadır. Yüzey gözenek büyüklüğü ve şekillerindeki çeşitliliğin yanısıra, metal içermeleri aktivitelerini arttırarak kullanım alanlarını genişletmektedir. Organik ligandların geometrisi ve inorganik metal iyon veya metal iyon kümelerinin koordinasyonuna dayanan çeşitlilik ve sentez yöntemlerindeki farklılıkların etkisiyle yüksek yüzey alanlı kristalin gözenekli metal organik kafes yapılar sentezlenmektedir.

Üretim Yöntemleri

Metal-organik kafes yapıları metal iyon ve organik ligandın birleşmesiyle oluşarak koordinasyon kimyası ve malzeme bilimi arasında yeni bir konu oluşturmaktadır. Metal iyonu ve ikincil yapı birimi adı verilen metal iyon kümeleriyle çok çeşitli organik ligandların kovalent bağlarla bağlanarak farklı istenilen boyutlara sahip ağ örgü yapılarının sentezlenmesine olanak sağlar. Bu malzemelerin sentezinde konvensiyonel yöntemlerin yanısıra solvotermal ve hidrotermal gibi yüksek sıcaklık ve basınç gerektiren yöntemler, mikrodalga yöntemi, mekanokimyasal sentez ve sonokimyasal sentez gibi yöntemler kullanılmaktadır. Bu yöntemler arasında en çok kullanılan solvotermal yöntem metal tuzunun organik ligandla uygun çözücü ortamında ısıtılmasıyla gerçekleştirilir.

Sentez Yöntemleri
Metal-organik kafes yapıların kristal şekilleri, yüzey özellikleri ve gözenek boyutları sentez sıcaklık ve süresinden, basınçtan, çözücü türü ve miktarından, başlangıç maddelerinin oranlarından, ortamın pH’ından etkilendiği için bu tür yapıların sentezinde farklı sentez yöntemleri kullanılmaktadır.
Yan ürün oluşumunu önlemek ve kristalizasyon için gerekli olan çekirdeklenme ve büyüme koşullarını sağlayabilmek için uygun sentez yönteminin seçilmesi oldukça önemlidir. Sentez yöntemleri arasında en çok kullanılanları solvotermal yöntem, hidrotermal sentez, mikrodalga yöntem, elektrokimyasal sentez ve mekanokimyasal yöntemdir.

a) Solvotermal ve Hidrotermal Sentez
Metal-organik kafes yapıların sentezi genellikle çözücü ortamında metal tuzları ve ligand arasındaki reaksiyona dayanır. Solvotermal ve hidrotermal sentez kullanılarak istenilen ürün yüksek sıcaklık ve yüksek basınçta sentezlenebilir. Başlangıç malzemeleri (metal tuzu, ligandlar ve çözücüler) kapalı kap içine konularak süperkritik koşullar altında uygun sıcaklıkta ısıtılır. Kristaller uzun süre sonunda elde edilir.

b) Mikrodalga Sentez
Mikrodalga ısıtma, kısa reaksiyon süresi, hızlı çekirdek kristallenme ve büyüme kinetiği ve istenilen ürünün yüksek verimde elde edilebilmesi nedeniyle metal-organik kafes yapıların sentezinde kullanılmaktadır. Sıcaklık, ışınlama gücü, reaksiyon süresi ve reaksiyon karışımının bileşimi önemlidir. Konvensiyonel yöntemle 12 saatte gerçekleşen kristal oluşumu mikradalga yöntemle 15 dakikada gerçekleşebilmektedir. Sentez sıcaklığı ve ışınlama gücündeki artış kristal kalitesini arttırarak reaksiyon süresinin azalmasına neden olmaktadır.

c) Elektrokimyasal Sentez
Elektrokimyasal sentezle metal-organik kafes yapıların sentezi ilk olarak 2005 yılında Mueller ve arkadaşları tarafından gerçekleştirilmiştir. Elektrokimyasal sentez metal tuzlarının kullanımından ziyade metal iyonları ve ligandın anodik çözünmeyle etkileşimini içerir. Protik çözücüler kullanılarak katota metal depolanması engellenir.

d) Mekanokimyasal Yöntem
Mekanokimyasal yöntemde moleküliçi bağların mekanik kırılmasıyla kimyasal dönüşüm başlar. Metal-organik kafes yapıları mekanokimyasal yöntemle sentezi ilk olarak 2006 yılında gerçekleştirilmiştir. Mekanokimyasal yöntem ile çözücüsüz ortamda 10 dakikada sentezleme yapmak mümkündür. Çözücüsüz ortamda ve oda sıcaklığında sentezlenmesi, kısa reaksiyon süresi ve genellikle küçük taneciklerin elde edilmesi mekanokimyasal yöntemin en önemli avantajlarıdır.

e) Sonokimyasal Sentez
Ultrasonik enerji kullanılarak gerçekleştirilen bu yöntem hızlı olması, enerji tasarruflu olması, oda sıcaklığında gerçekleşmesi ve çevre dostu olması nedeniyle metal-organik kafes yapıların sentezinde kullanılmaktadır. İlk sonokimyasal yöntem kullanılarak sentezlenen metal-organik kafes yapı, 2008 yılında çinko asetat ve trimesik asitin etanol-su karışımından oluşan çözeltide, ultrasonik banyoda oda sıcaklığında sentezlenmiştir.

Uygulama Alanları

Metal-organik kafes yapılar boşluklu yapısının ve yüksek yüzey alanının etkisiyle kimyasal ayırmada, hidrojen, metan ve karbondioksit gibi gazların depolanmasında, katalitik reaksiyonlarda, ilaç taşımada, adsorpsiyon çalışmalarında, ince-film aletlerde, pillerde, membranlarda ve biyomedikal görüntülemede kullanılan önemli malzemelerdendir.

What do you think?

Alüminyumun İnşaat Sektöründe Kullanılması

Isı ve Işık ile Şekil Değiştiren Malzeme Geliştirildi