مهندسی متالورژی

مهندسی متالورژی

ساخت و طراحی کاتالیست نانو متخلخل از نوع چارچوب فلز -آلی MOF بر پایه UiO-66-COOH با داپت کردن بر روی صفحات نیترید کربن گرافیت ( (g-C3N4)/مغناطیسی و تثبیت با نانو ذرات گادالانیوم به عنوان کاتالیست سنتز شده MOF کارآمد و جدید به منظور حذف فلزات سنگ

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
لیلا محمدی 1
محمدرضا واعظی جزه 2
1 دکتری، گروه فناوری نانو و مواد پیشرفته، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران.
2 استاد، گروه فناوری نانو و مواد پیشرفته، پژوهشگاه مواد و انرژی، کرج، ایران.
10.22076/me.2024.2036451.1411
چکیده
این پژوهش با انگیزه شناسایی کاتالیست متخلخل MOF جدید از طریق چارچوب فلزی-آلی UiO-66 با اسید کربوکسیلیک آزاد و نیترید کربن گرافیتی مغناطیسی کارآمد (Fe3O4/g-C3N4) از طریق تزئین با نانوذرات گادولینیم به دست آمد. به منظور تهیه یک کاتالیزور بسیار کارآمد UiO-66-COOH @ g-C3N4/Fe3O4 @ Gd-NPs به عنوان کاتالیزور ناهمگن برای اعمال حذف فلزات سنگین مورد بررسی قرار گرفت. UiO-66 با مکان های اسیدی، مانند کربوکسیلیک، برای کاتالیز اسید و جذب سنتز شده . UiO-66 MOF با گروه‌های COOH آزاد را می‌توان با روش‌های مختلفی مانند سنتز مستقیم، تبادل لیگاند و پس‌اصلاح به دست آورد. برای سنتز مستقیم UiO-66-COOH و UiO-66-(COOH)2، اسید از 1،2،4-بنزن تری کربوکسیلیک (BTEC) به ترتیب به عنوان پیوند دهنده آلی استفاده شد. در این مطالعات جذب نه تنها می‌تواند کاربردهای بالقوه MOFهای به‌دست‌آمده را پیشنهاد کند، بلکه وجود COOH آزاد را نیز تأیید می‌کند . تکنیک‌های مختلفی از جمله FT-IR، XRD، BET، SEM، TEM، EDS، و نقشه‌برداری عنصری، برای بررسی UiO-66-COOH @g-C3N4/Fe3O4 @ Gadolinium Nano استفاده شد و نشان‌دهنده آماده‌سازی موفق آن است. نتایج حاصل از کاتالیزور بهره وری در بازدهی عالی در شرایط ملایم به دست می آید که دلیلی بر فعالیت برتر کاتالیزور ناهمگن حاوی نانوذرات گادولینیوم است. انتظار می رود ظرفیت جذب g-C3N4/Fe3O4/UiO-66-COOH به حداکثر 292 میلی گرم در لیتر برسد که به گروه های عاملی فراوان و مساحت سطح بالا نسبت داده می شود. علاوه بر این، کاتالیزور قابلیت استفاده مجدد عالی را بدون کاهش قابل توجه در فعالیت تا 5 اجرای متوالی نشان داد.
کلیدواژه‌ها
نانو متخلخل
نانو ساختار
چارچوب فلز-آلی
MOF
UiO-66-COOH
نانو ذرات گادالانیم

عنوان مقاله English

A competent Magnetic MOF Catalyst of Gadolinium-Nanoparticles-Decorated Graphitic Carbon Nitride (g-C3N4) @ Functionalized UiO-66-COOH as a novel and efficient MOF-Catalyst to remove Heavy Metals

نویسندگان English

leila mohammadi 1
mohammadreza vaezi 2
1 PhD, Department of Nano Technology and Advanced Materials, Materials and Energy Research Center, Karaj, Iran.
2 Professor, Department of Nano Technology and Advanced Materials, Materials and Energy Research Center, Karaj, Iran.
چکیده English

This work is motivated to identify newly synthesized MOF nano-catalyst via metal-organic frameworks UiO-66-Type with free carboxylic acid as an efficient MOF functionalized magnetic graphitic carbon nitride (Fe3O4/g-C3N4) via decoration of Gadolinium- Nanoparticles. In order to prepare a highly efficient catalyst UiO-66-COOH @ g-C3N4/Fe3O4 @ Gd-NPs as a heterogeneous catalyst for applying to remove Heavy Metals which have been investigated. UiO-66s with acidic sites, such as carboxylic, have been synthesized for acid catalysis and adsorptions. UiO-66 MOFs with free –COOH groups could be obtained by several methods such as direct synthesis, ligand exchange, and post-modification. For direct synthesis of UiO-66-COOH and UiO-66-(COOH)2, 1,2,4-benzene tricarboxylic acid and 1,2,4,5-benzene-tetracarboxylic acid (BTEC), respectively, were applied as the organic linker. These adsorption studies can not only suggest potential applications of the obtained MOFs but also confirm the presence of free –COOH. In this work, we still confined ourselves to the model MOF system of carboxylic acid-functionalized, Zr-based UiO-66-COOH, in the superior chemical and hydrothermal stability of UiO-66 as well as the COOH -modification-induced improvement in absorption capacity. Various techniques, including FT-IR, XRD, BET, SEM, TEM, EDS, and elemental mapping were used to characterize UiO-66-COOH @g-C3N4/Fe3O4 @ Gadolinium Nano particles, indicating its successful preparation. The results of productivity catalyst are accomplished in excellent yields under mild conditions which is a proof of superior activity heterogeneous catalyst containing Gadolinium-nanoparticles. The adsorption capacity of g-C3N4/Fe3O4/UiO-66-COOH is expected to reach a maximum of 292 mg/L, which is attributed to abundant functional groups and high surface area.

کلیدواژه‌ها English

nano porous
nano structures
Metal Organic Framework
MOF
UiO-66-COOH
Gd-nano particles

26

 [1] R. Ryoo and  C. H. Ko, ”Block-copolymer templated ordered mesoporous silica: array of uniform
      mesopores or mesopore− micropore network”, J. Phys. Chem. B., 2000, 104 (48), 11465-11471.
[2] R. Dersch and M. Steinhart, ”Nanoprocessing of polymers: applications in medicine, sensors,
      catalysis, photonics”, Polym. Adv. Technol., 2005, 16 (2‐3), 276-282.
[3] S. Polarz and B. Smarsly,” Nanoporous materials”, J. nanosci. nanotechnol, 2002, 2, 581-612.
[4] H. Furukawa, K. E. Cordova, M. O’Keeffe and O. M. Yaghi, ”The chemistry and applications of
      metal-organic frameworks”, Science., 2013, 341 (6149), 1230444.
[5] J. Ren, X. Dyosiba, N. M. Musyoka, H. W. Langmi, M. Mathe and S. Liao, ”Review on the current
      practices and efforts towards pilot-scale production of metal-organic frameworks (MOFs) ”, Coord.
      Chem. Rev., 2017, 352, 187-219.
[6] B. Maranescu and A. Visa, ”Applications of metal-organic frameworks as drug delivery systems.
      Int. J. Mol. Sci., 2022, 23 (8), 4458.
[7] M. S. Alhumaimess, ”Metal–organic frameworks and their catalytic applications”. J. Saudi Chem.
     Soc. 2020, 24 (6), 461-473.
[8] A. S. Abou-Elyazed, G. Ye, G, Y. Sun, A. M. El-Nahas and E. C. Research, ”A series of UiO-66 (Zr)-
      structured materials with defects as heterogeneous catalysts for biodiesel production”. Ind. Eng.
      Chem. Res., 2019, 58 (48), 21961-21971.
[9] A. Dhakshinamoorthy, A. Santiago-Portillo, A. M. Asiri and H. García Gómez, ”Engineering UiO-66
       metal organic framework for heterogeneous catalysis”. Chem. Cat. Chem., 2019.
[10] M. Kandiah, M. H. Nilsen and S. Usseglio and K. P. Lillerud, ”Synthesis and stability of tagged
        UiO-66 Zr-MOFs”. Chem. Mater., 2010, 22 (24), 6632-6640.
[11] G. C. Shearer, S. Chavan, S. Bordiga, S. Svelle, U. Olsbye and K. P. Lillerud, ”Defect engineering:
        tuning the porosity and composition of the metal–organic framework UiO-66 via modulated
        synthesis”. Chem. Mater., 2016, 28 (11), 3749-3761.
[12] K. O. Kongshaug, H. Fjellvåg, H and K. P. Lillerud, ”Synthesis, structure and thermal properties of a
       novel 3D aluminophosphate UiO-26”. Microporous and mesoporous mater., 2000, 40 (1-3), 313-322.
[13] S. J. Garibay and S. M. Cohen, ”Isoreticular synthesis and modification of frameworks with the
        UiO-66 topology”. Chem. Comm., 2010, 46 (41), 7700-7702.
[14] M. J. Katz, Z. J. Brown, Y. J. Colón, P. W. Siu, K. A. Scheidt, R. Q. Snurr, J. T. Hupp and O. K.
        Farha, ”A facile synthesis of UiO-66, UiO-67 and their derivatives”. Chem. Comm., 2013, 49 (82),
        9449-9451.
[15] E. S. Gutterød, S. Øien-Ødegaard, K. Bossers, A.-E. Nieuwelink and M. Manzoli, L. Braglia, A.
        Lazzarini, E. Borfecchia, S. Ahmadigoltapeh, B. J. Bouchevreau and C. Research, ”CO2
        Hydrogenation over Pt-Containing UiO-67 Zr-MOFs. The Base Case”. Ind. End. Chem. Res., 2017,
        56 (45), 13206-13218.
[16] C. Tan, X. Han, Z. Li, Y. Liu and Y. J. Cui, ”Controlled exchange of achiral linkers with chiral
        linkers in Zr-based UiO-68 metal–organic framework”. J. Am. Chem. Soc., 2018, 140 (47), 16229-
        16236.
[17] A. D. Wiersum, E. Soubeyrand‐Lenoir, Q. Yang and C. J. Vagner, ”An evaluation of UiO‐66 for
        gas‐based applications”. Chem Asian. J. 2011, 6 (12), 3270-3280.
[18] F. Yang, W. Li and B. J. Tang, Compounds, ”Facile synthesis of amorphous UiO-66 (Zr-MOF) for
        supercapacitor application”. J. Alloys. Compd., 2018, 733, 8-14.
[19] O. S. Bull, I. Bull, G. K. Amadi, C. O. Odu and E. Okpa, ”A Review on Metal-Organic Frameworks,
        Synthesis, Activation, Characterisation, and Application”. Orient. J. Chem., 2022, 38 (3), 490.
[20] Q. Sun, L. Qin, C. Lai, S. Liu, W. Chen, F.  Xu, D.  Ma and Y. Li, ”Constructing functional metal-
        organic frameworks by ligand design for environmental applications”. J. Hazard. Mater., 2023,
        130848.

  • تاریخ دریافت 03 مرداد 1403
  • تاریخ بازنگری 05 آبان 1403
  • تاریخ پذیرش 03 آذر 1403