Catalytic Applications of Metal-Organic Frameworks

In recent years, metal organic frameworks (MOF) have received considerable interest due to their physicochemical properties, such as structures’ flexibility, high surface area, tunable pore size, and topologies, among others, which have lead to promising applications, particularly in the area of catalysis. In this chapter, we present the most important results of research conducted with MOF in catalytic applications; mainly in the design of its structure, synthesis, characterization, and possible limitations

Adsorción de dióxido de carbono en redes metal orgánicas de terbio

Los materiales tipo MOF (metal organic frameworks) tienen características fisicoquímicas modulables y son capaces de adsorber el CO₂, actúan como una especie de esponjas a escala molecular, cuyo tamaño de poros se define de acuerdo con las necesidades, permitiéndole tener una excelente capacidad de adsorber compuestos líquidos y gases, retenerlos en su interior, y poder realizar modificaciones una vez sintetizados. En este trabajo, se presentan los resultados de la adsorción de CO₂ en MOF de terbio sintetizadas con los ligandos orgánicos: 1,4-bencenodicarboxilato (BDC), benceno-tricarboxilato (BTC) y 1,3-tiofeno-dicarboxilato (TDC). Los materiales obtenidos se caracterizaron mediante DRX, FT-IR, TGA, MEB, EDX y adsorción de N₂. Con el análisis estructural se determinó el tamaño nanométrico de los materiales cristalinos. La capacidad de adsorción de CO₂ se modificó con el tratamiento térmico de las muestras bajando de 17.6 a 7.5 cm³/g para Tb₂(BDC)₃, de 112 a 12.6 cm3/g para Tb(BTC) y en el caso de Tb₂(TDC)₃ con una menor decaída de 15.9 a 14.6 cm³/g.MOF (metal organic frameworks) type materials have modulable physicochemical characteristics and are capable of adsorbing CO₂, they act as a kind of sponges on a molecular scale, whose pore size is defined according to needs, allowing it to have an excellent adsorption capacity. liquid compounds and gases, retain them inside, and be able to make modifications once synthesized. In this work, the results of CO₂ adsorption in terbium MOFs synthesized with the organic ligands: 1,4- benzenedicarboxylate (BDC), benzene-tricarboxylate (BTC) and 1,3-thiophenedicarboxylate (TDC) are presented. The materials obtained were characterized by XRD, FT-IR, TGA, SEM, EDX and N₂ adsorption. With the structural analysis, the nanometric size of the crystalline materials was determined. The CO₂ adsorption capacity was modified with the heat treatment of the samples, decreasing from 17.6 to 7.5 cm³/g for Tb₂(BDC)₃, from 112 to 12.6 cm3/g for Tb(BTC) and in the case of Tb₂(TDC )₃ with a smaller decay of 15.9 to 14.6 cm³/g

Adsorción de alizarina S en redes metal orgánicas

Los colorantes textiles representan un problema de salud pública debido a que su presencia no permite el paso de la luz provocando daños a los ecosistemas presentes en distintos cuerpos de agua. Para eliminar los colorantes del agua es posible usar materiales porosos, en el presente trabajo se comparó la capacidad máxima de adsorción de alizarina S en las redes metal orgánicas HKUST-1 y UiO-66 mediante tres metodologías. La HKUST-1 presentó una capacidad de remoción de 96.5% en una metodología donde el colorante se agregó a la parte metálica (M), de 94. 1% cuando se agregó a la solución orgánica (O) y de 84.7% en una metodología post-síntesis, mientras que para UiO-66 los resultados fueron: 93.4%(M), 93.8% (O) y 83.8% (post), demostrando que la HKUST-1 es mejor en la adsorción de alizarina S y que la metodología post-síntesis presenta mayor efecto estérico en la adsorción lo que disminuye su capacidad de adsorción.Textile dyes represent a public health problem because their presence does not allow the passage of light, causing damage to the ecosystems present in different bodies of water. To eliminate the colorants from the water, it is possible to use porous materials. In the present work, the maximum adsorption capacity of alizarin S in the metal-organic frameworks HKUST-1 and UiO-66 was compared using three methodologies. HKUST-1 presented a removal capacity of 96.5% in a methodology where the colorant was added to the metallic part (M), 94.1% when it was added to the organic solution (O) and 84.7% in a methodology post-synthesis, while for UiO- 66 the results were: 93.4% (M), 93.8% (O) and 83.8% (post), showing that HKUST-1 is better in the adsorption of alizarin S and that the methodology post-synthesis has a greater steric effect on adsorption, which decreases its adsorption capacity

Adsorción de hidrógeno a alta presión en zeolitas naturales y sintéticas

El continuo aumento de la demanda energética mundial está generando en los últimos años una creciente preocupación, ya que los recursos de los combustibles fósiles, que son la fuente energética por excelencia, son limitados y su uso conlleva a un negativo impacto ambiental. Debido a esto, se está considerando la implantación de fuentes alternas, una de ellas es el hidrógeno. Sin embargo, el almacenamiento y transporte de hidrógeno es un problema que aún no se ha resuelto, en la actualidad se utilizan materiales porosos para retenerlo y transportarlo. Este método resulta eficaz, seguro y económicamente viable. Las zeolitas son materiales usados en el transporte y almacenamiento de hidrógeno, debido a que son materiales porosos y adsorbentes, con diversas características y propiedades. En el presente trabajo se propone la caracterización de zeolitas naturales (clinoptilolita, mordenita y eriotnita) y zeolitas sintéticas (A, y Beta) para determinar sus propiedades fisicoquímicas, y la homogenización de sus iones de intercambio, para aplicarlas a la adsorción hidrógeno a alta presión.The continuous increase in global energy demand is generating in recent years a growing concern, since resources of fossil fuels, which are the energy source for excellence, are limited and its use leads to a negative environmental impact. Because of this, it is considering the introduction of alternative sources, one of them is hydrogen. However, hydrogen storage and transport is a problem that has not yet been resolved, now porous materials are used to hold and transport. This method is effective, safe and economically viable. Zeolites are used in transport and storage of hydrogen, because they are porous and adsorbent materials, with different characteristics and properties. In this paper the characterization of natural zeolites (clinoptilolite, mordenite and eriotnite) and synthetic zeolites (A, y and Beta) to determine their physicochemical properties, and the homogenization of the ion exchange is proposed to apply to the hydrogen adsorption high pressure

Adsorción de penicilina G potásica en una red metal orgánica

En la actualidad se busca reducir los efectos secundarios de los fármacos, sin disminuir su eficiencia, es recomendable una menor dosis con un mayor efecto en la enfermedad que se desea combatir. Una forma de reducir dichos efectos es mediante el uso de materiales porosos que trasladen el fármaco sin ninguna modificación hasta el lugar del organismo donde se requiera y liberen la sustancia química de forma gradual. En este trabajo se evaluó una red metal orgánica (MOF por sus siglas en inglés metal organic framework) de zirconio (UiO-66) en la liberación de penicilina G potásica. Los resultados de DRX corroboran la formación de la estructura de la MOF y la estabilidad en medio acuoso (evaluada a temperatura ambiente por 12 h en agua y en una disolución de fosfatos). La capacidad máxima de adsorción de la penicilina fue de 1000 mg/L, con una liberación de 1.9% después de 20 h en agua. Se determinó la liberación cambiando el pH, para simular las condiciones del tracto digestivo y se observó una mayor liberación a un pH de 7.4.Currently, the aim is to reduce the side effects of drugs, without reducing their efficiency, a lower dose is recommended with a greater effect on the disease to be combated. One way to reduce these effects is using porous materials that move the drug without modification to the place in the body where it is required and gradually release the chemical. In this work, a metal organic framework (MOF) of zirconium (UiO-66) was evaluated in the release of potassium penicillin G. The DRX results corroborate the formation of the MOF structure and stability in aqueous medium (evaluated at room temperature for 12 h in water and phosphate medium). The maximum adsorption capacity of penicillin was 1000 mg / L, with a release of 1.9% after 20 h in water. The release was determined by changing the pH, to simulate the conditions of the digestive tract, and a greater release was observed at a pH of 7.4

Encapsulación de Ibuprofeno en la MOF de Zirconio UiO-66

En la actualidad uno de los principales problemas que enfrenta la industria farmacéutica es reducir los efectos secundarios de los fármacos, sin disminuir su eficiencia; idealmente se pretende consumir menor dosis con efecto total en la enfermedad que se desea combatir. Las redes metalorgánicas MOF por sus siglas inglés son algunos materiales con propiedades que pueden ser aprovechadas para la adsorción de fármacos. La MOF de zirconio UiO-66 es utilizada en el presente trabajo como adsorbente de ibuprofeno, la cual es sintetizada por el método no solvotérmico. La caracterización de las MOFs antes y después de la adsorción fue determinada por difracción de rayos X, espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier, análisis termogravimétrico y microscopia electrónica de barrido. Finalmente se realizó la evaluación de la liberación de ibuprofeno en un medio simulado del pH de la sangre, donde se observó una liberación gradual durante las primeras 24 h.One of the main issues Pharmaceutical industry is currently facing is to diminish the drug side effect without affecting its efficiency; in this regard, a reduction of the amount of doses is intended to completely fulfill patient needs and medical treatments. Metalorganic frameworks (MOFs) are some of the materials that possessed useful properties for drug adsorption. Zirconium metalorganic framework UiO-66 is being used in the present work as an adsorbent for ibuprofen drug, which is synthesized by non-solvothermal method. MOFs characterization before and after adsorption was determined using X-Ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy, Thermogravimetric analysis and Scanning electron microscopy. Finally, a test was carried out in order to determine ibuprofen delivery in a pH similar to the blood, in which a controlled release was observed during the first 24 h

Polímero de coordinación de europio: síntesis y caracterización

Los polímeros de coordinación, también conocidos como redes metal orgánicas, son materiales sólidos constituidos por un centro metálico (ácido de Lewis) y un ligante orgánico (base de Lewis). Entre los metales que se utilizan para la síntesis de dichos polímeros, se encuentran las tierras raras, como el europio. El objetivo de este trabajo es reportar la síntesis de un polímero de coordinación con europio y el ligante 1,10 fenantrolina; y la caracterización (difracción de rayos X, microscopia electrónica de barrido y análisis térmico gravimétrico) del material. El cual se sintetizó en condiciones de temperatura ambiente y con solventes de baja o nula toxicidad. Se logró la síntesis de un material cristalino con transiciones características del ion Eu³⁺ y con una emisión entre el rojo y el azul.Coordination polymers, also known as organic metal networks, are salid materials constituted by a metallic center (Lewis acid) and an organic binder (Lewis base). Among the metals that are used for the synthesis of these polymers are rare earths, such as europium. The aim of this work is to report the synthesis of a coordination polymer with europium and the ligand 1,10 phenanthroline; and the characterization (X-ray diffraction, scanning electron microscopy and gravimetric thermal analysis) of the material. Which was synthesized under ambient temperature conditions and with solvents of low or no toxicity. The synthesis of a crystalline material with characteristic transitions of the Eu³⁺ ion and with an emission between red and blue was achieved

Adsorción de penicilinas en la red HKUST-1

La HKUST-1 es una de las redes metal orgánicas más estudiadas y que tiene un área superficial de más de 2000 m² /g. En este trabajo se utilizó para adsorber las penicilinas: cloxacilina sódica, amoxicilina, penicilina benzatínica, penicilina potásica y cefalexina, con el objetivo de evaluar el potencial de esta MOF en la dosificación y transporte de estos fármacos. La adsorción se realizó mediante dos metodologías: 1) el fármaco se puso en contacto con la solución que contenía el centro metálico, y fue la que presentó una mayor capacidad de adsorción, para penicilina benzatínica con un 18.91%. 2) el fármaco se incorpora mezclando con la solución que contiene a ligante orgánico, por esta metodología se pueden adsorber mejor las penicilinas, debido a que se mantiene la estructura. Los materiales obtenidos se caracterizaron mediante DRX, TGAy se determinó la capacidad de adsorción mediante UV-Vis. No existe evidencia del uso de este tipo de material como acarreador de fármacos, este trabajo abre la posibilidad de usar HKUST-1 en la liberación controlada de fármacos.The HKUST-1 is one of the most studied organic metal networks and has a surface area of more than 2000 m²/g. In this work, penicillins were used to adsorb: cloxacillin sodium, amoxicillin, benzathine penicillin, potassium penicillin and cephalexin, with the aim to evaluate the potential of this MOF in the realise and transport of these drugs. The adsorption was carried out by means of two methodologies: 1) the drug was put in contact with the solution that contained the metallic center, and was the one that presented a greater adsorption capacity, for benzathine penicillin with 18.91%. 2) the drug is incorporated by mixing with the solution containing an organic binder, by this methodology penicillins can be adsorbed better, because the structure is maintained. The materials obtained were characterized by DRX, TGA and the capacity of adsorption was determined by UV-Vis. There is no evidence of the use of this type of material as a drug carrier, this work opens the possibility of using HKUST-1 in the controlled release of drugs

Contraste de la metodología de adsorción de colorantes en MOF’s versus ozonación

En este trabajo se presenta el contraste de dos metodologías: una química y otra física, empleadas en el tratamiento de aguas y suelos contaminados con compuestos orgánicos. Por una parte, los procesos de oxidación avanzada ofrecen una rápida remoción del color ya que son oxidantes fuertes. La otra alternativa es la adsorción, que se basa en solo adsorber las moléculas de los colorantes mediante compuestos metal orgánicos porosos, o redes metal orgánicas, - denominados MOF (por sus siglas en inglés: metal organic frameworks)- que poseen propiedades adsorbentes y catalíticas y favorecen la retención de moléculas orgánicas, sin dañar su estructura. El estudio se centró en una MOF de Cobre (Cu₃(BTC)₂) con estructura cúbica y de fácil síntesis. En ambas metodologías se experimenta con el colorante violeta cristal.This work presents the contrast of two methodologies, one chemical and one physical, used in the treatment of water and soil contaminated with organic compounds. The first one, ozonation, an advanced oxidation process, offer a quick color removal as they are strong oxidants. The second one, adsorption, is based on adsorbing the molecules of the dyes with Metal Organic Frameworks (MOF’s), which have adsorptive and catalytic properties that favor the retention of Organic Molecules, as some dyes, without damaging their structure. The study is focused on a copper (Cu₃(BTC)₂) MOF, with cubic structure and easy synthesis. Both methodologies are tested using crystal violet dye

Room-temperature synthesis of nanometric and luminescent silver-MOFs

Three silver-MOFs were prepared using an optimized, room-temperature methodology starting from AgNO₃ and dicarboxylate ligands in water/ethanol yielding Ag2BDC, Ag2NDC (UAM-1), and Ag2TDC (UAM-2) at 38%–48% (BDC, benzenedicarboxylate; NDC, 1,8-naphthalene-dicarboxylate; TDC, p-terphenyl-4,4″-dicarboxylate). They were characterized by PXRD/FT-IR/TGA/photoluminescence spectroscopy, and the former two by SEM. These materials started decomposing at 330°C, while showing stability. The crystal structure of UAM-1 was determined by PXRD, DFT calculations, and Rietveld refinement. In general, the structure was 3D, with the largest Ag-O bond interlinking 2D layers. The FT-IR spectra revealed 1450 and 1680 bands (cm−1) of asymmetrically stretching aniso-/iso-bidentate -COO in coordination with 2/3-Ag atoms, accompanied by Ag-O bands at 780–740 cm−1, all demonstrating the network formation. XRD and SEM showed nanometric-scale crystals in Ag₂BDC, and UAM-1 developed micrometric single-stranded/agglomerated fibrillar particles of varying nanometric widths. Luminescence spectroscopy showed emission by Ag₂BDC, which was attributed to ligand-to-metal or ligand-to-metal–metal transitions, suggesting energy transfer due to the short distance between adjacent BDC molecules. UAM-1 and UAM-2 did not show luminescence emission attributable to ligand-to-metal transition; rather, they presented only UV emission. The stabilities of Ag₂BDC and UAM-1 were evaluated in PBS/DMEM/DMEM+FBS media by XRD, which showed that they lost their crystallinity, resulting in AgCl due to soft–soft (Pearson’s principle) affinity