Single-Step Screening of the Potential Dependence of Metal Layer Morphologies along Bipolar Electrodes

The preparation of surface gradients is a hot topic in contemporary research. Among various physical chemistry approaches, bipolar electrochemistry allows the control of such gradients through the interfacial polarization between a conducting substrate and an electrolyte solution. Here, we report the straightforward, single‐step generation of metal composition gradients on cylindrical carbon fibers. The screening of different metal deposit morphologies, which evolve gradually along a bipolar electrode, is demonstrated with monometallic layers as well as a bimetallic composite layer based on copper and nickel

Metal-organic framework templated electrodeposition of functional gold nanostructures

Utilizing a pair of quick, scalable electrochemical processes, the permanently porous MOF HKUST-1 was electrochemically grown on a copper electrode and this HKUST-1-coated electrode was used to template electrodeposition of a gold nanostructure within the pore network of the MOF. Transmission electron microscopy demonstrates that a proportion of the gold nanostructures exhibit structural features replicating the pore space of this ∼1.4 nm maximum pore diameter MOF, as well as regions that are larger in size. Scanning electron microscopy shows that the electrodeposited gold nanostructure, produced under certain conditions of synthesis and template removal, is sufficiently inter-grown and mechanically robust to retain the octahedral morphology of the HKUST-1 template crystals. The functionality of the gold nanostructure within the crystalline HKUST-1 was demonstrated through the surface enhanced Raman spectroscopic (SERS) detection of 4-fluorothiophenol at concentrations as low as 1 μM. The reported process is confirmed as a viable electrodeposition method for obtaining functional, accessible metal nanostructures encapsulated within MOF crystals

Electrochemical deposition of zeolitic imidazolate framework electrode coatings for supercapacitor electrodes

Zn and Co electrodes have been successfully coated with five different zeolitic imidazolate frameworks ZIFs (ZIF-4, ZIF-7, ZIF-8, ZIF-14 and ZIF-67) via the anodic dissolution method. Careful control of the reaction conditions allows for electrode coating growth; in contrast to previous reports of electrochemical ZIF growth, which have not succeeded in obtaining ZIF electrode coatings. Coating crystallinity is also shown to be heavily dependent upon reaction conditions, with amorphous rather than crystalline material generated at shorter reaction times and lower linker concentrations. Electrochemical applications for ZIF-coated electrodes are highlighted with the observation of an areal capacitance of 10.45 mF cm−2 at 0.01 V s−1 for additive-free ZIF-67 coated Co electrodes. This is superior to many reported metal organic framework (MOF)/graphene composites and to capacitance values previously reported for additive-free MOFs

Tailoring complex heterogeneous metal-organic framework structures

Dans cette thèse, de nouvelles stratégies pour la préparation de matériaux de type Metal-Organic-Frameworks (MOF) ont été étudiés et développés. L’électrodeposition bipolaire indirecte (IBED) a été utilisé pour préparer ZIF-8 et HKUST-1 sur des substrats métalliques de façon simple et avec une sélectivité spatiale. Ce concept devrait pouvoir être généralisée pour la synthèse de nombreux autres composés MOF, permettant ainsi une synthèse pas chère et verte, conduisant à de nouvelles générations de composites de type Janus basés sur des MOFs. En outre, des électrodes avec une structure hiérarchique macro-/ microporeux de HKUST-1 ont été préparées par une technique de dissolution-dépôt électrochimique. L'approche de synthèse mis au point est très pratique en ce qui concerne la durée des expériences, et ouvre diverses applications pour les MOFs. Enfin des nanoparticules de métaux nobles sur un substrat à base de MIL-101 ont été préparées comme la dernière partie de l'étude expérimentale par dépôt colloïdal. Ce concept peut être généralisé pour la synthèse d'autres composites nanoparticules métalliques / MOF, et pourrait améliorer l'activité catalytique des MOFs. En dehors de l'étude expérimentale, afin de comprendre mieux la catalyse de matériaux MOF, le comportement catalytique de Cu (II) dans le MOF-505 a été théoriquement étudié pour la réaction d'aldolisation Mukayiama par la théorie de densité fonctionnelle et comparé à celui d'un autre catalyseur, Cu-ZSM-5. En outre, le comportement catalytique d'amas homo- et hétéro-bimétalliques, qui sont des complexes métalliques qui représentent les agrégats métalliques dans les MOFs, a également été étudié théoriquement pour la réaction de cycloaddition de dioxyde de carbone et des oxydes d'éthylène.In this thesis, new strategies for the preparation of Metal 0rganic Frameworks (MOF) materials with designed structures were studied and developed. Indirect bipolar electrodeposition (IBED) was used to prepare ZIF-8 and HKUST-1 on metal substrates in a straightforward and site-selective way. This concept is expected to be able to be generalized for the synthesis of many other MOF compounds, thus allowing a cheap and green synthesis, leading to new generations of MOF-based Janus-type composites. Furthermore, rationally designed hierarchical macro-/microporous HKUST-1 electrodes were prepared via an electrochemical dissolution-deposition technique. The developed synthesis approach is very practical in terms of the time consumption, and opens up MOFs for various applications. Finally, MIL-101-supported noble metal nanoparticles were prepared as the last part of the experimental studies via a simple colloidal deposition technique. This concept might be generalized for the synthesis of other metal nanoparticle/MOF composites, and might improve the catalytic activity of MOFs. Apart from the experimental study, in order to gain a deeper insight into the catalysis of MOF materials, the catalytic behavior of Cu(II) in the paddle-wheel unit of MOF-505 was theoretically investigated for the Mukaiyama aldol reaction via the density functional theory and compared to that of another catalyst, Cu-ZSM-5 zeolite. Besides, the catalytic behavior of homo-metallic clusters and hetero-bimetallic clusters, that are the metal complexes representing the metal clusters in MOFs, were also theoretically investigated for the cycloaddition reaction of carbon dioxide and ethylene oxides

Développement de structures complexes à base de solides hybrides poreux

In this thesis, new strategies for the preparation of Metal 0rganic Frameworks (MOF) materials with designed structures were studied and developed. Indirect bipolar electrodeposition (IBED) was used to prepare ZIF-8 and HKUST-1 on metal substrates in a straightforward and site-selective way. This concept is expected to be able to be generalized for the synthesis of many other MOF compounds, thus allowing a cheap and green synthesis, leading to new generations of MOF-based Janus-type composites. Furthermore, rationally designed hierarchical macro-/microporous HKUST-1 electrodes were prepared via an electrochemical dissolution-deposition technique. The developed synthesis approach is very practical in terms of the time consumption, and opens up MOFs for various applications. Finally, MIL-101-supported noble metal nanoparticles were prepared as the last part of the experimental studies via a simple colloidal deposition technique. This concept might be generalized for the synthesis of other metal nanoparticle/MOF composites, and might improve the catalytic activity of MOFs. Apart from the experimental study, in order to gain a deeper insight into the catalysis of MOF materials, the catalytic behavior of Cu(II) in the paddle-wheel unit of MOF-505 was theoretically investigated for the Mukaiyama aldol reaction via the density functional theory and compared to that of another catalyst, Cu-ZSM-5 zeolite. Besides, the catalytic behavior of homo-metallic clusters and hetero-bimetallic clusters, that are the metal complexes representing the metal clusters in MOFs, were also theoretically investigated for the cycloaddition reaction of carbon dioxide and ethylene oxides.Dans cette thèse, de nouvelles stratégies pour la préparation de matériaux de type Metal-Organic-Frameworks (MOF) ont été étudiés et développés. L’électrodeposition bipolaire indirecte (IBED) a été utilisé pour préparer ZIF-8 et HKUST-1 sur des substrats métalliques de façon simple et avec une sélectivité spatiale. Ce concept devrait pouvoir être généralisée pour la synthèse de nombreux autres composés MOF, permettant ainsi une synthèse pas chère et verte, conduisant à de nouvelles générations de composites de type Janus basés sur des MOFs. En outre, des électrodes avec une structure hiérarchique macro-/ microporeux de HKUST-1 ont été préparées par une technique de dissolution-dépôt électrochimique. L'approche de synthèse mis au point est très pratique en ce qui concerne la durée des expériences, et ouvre diverses applications pour les MOFs. Enfin des nanoparticules de métaux nobles sur un substrat à base de MIL-101 ont été préparées comme la dernière partie de l'étude expérimentale par dépôt colloïdal. Ce concept peut être généralisé pour la synthèse d'autres composites nanoparticules métalliques / MOF, et pourrait améliorer l'activité catalytique des MOFs. En dehors de l'étude expérimentale, afin de comprendre mieux la catalyse de matériaux MOF, le comportement catalytique de Cu (II) dans le MOF-505 a été théoriquement étudié pour la réaction d'aldolisation Mukayiama par la théorie de densité fonctionnelle et comparé à celui d'un autre catalyseur, Cu-ZSM-5. En outre, le comportement catalytique d'amas homo- et hétéro-bimétalliques, qui sont des complexes métalliques qui représentent les agrégats métalliques dans les MOFs, a également été étudié théoriquement pour la réaction de cycloaddition de dioxyde de carbone et des oxydes d'éthylène