Produção, caracterização estrutural e morfológica de filmes baseados em redes metalorgânicas

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Dissertação de mestrado

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Edmar Avellar Soares
Juan Carlos González Pérez
Heitor Avelino de Abreu

Resumo

Atualmente, há uma busca constante por novos materiais funcionais a fim de atender às demandas da sociedade nos mais variados campos. No entanto, adjacente a isto há a preocupação com a redução dos impactos ambientais causados pelos seres humanos e a sustentabilidade dos processos. Nesse contexto, Redes Metalorgânicas (MOFs) têm despertado grande interesse na comunidade científica devido à sua diversidade de aplicações, entre as quais se destacam a adsorção e absorção de gases. MOFs são construídas a partir de íons ou clusters metálicos ligados a ligantes orgânicos, formando estruturas porosas rígidas estáveis. Este trabalho possui como foco a produção, caracterização estrutural e morfológica de filmes baseados em redes metalorgânicas conhecidas por MOF-74, que apresentam poro 1D infinito em forma de favo de mel. A MOF-74 é um material altamente versátil para aplicações em sensoriamento de gases do efeito estufa, armazenamento seletivo de gases, transporte de fármacos e catálise devido a flexibilidade na escolha de metais e ligantes, tamanho dos poros e possibilidade de funcionalização química. Sintetizamos filmes policristalinos de Me-MOF-74 Me= (Zn, Co, Ni, Mg) crescidos por método solvotérmico, sob vidro condutor revestido de Óxido de Estanho dopado com Flúor (FTO, SnO2:F) e comprovamos sua obtenção utilizando técnicas de difração de raio X convencional θ-2θ (DRX) pela presença dos picos característicos desses materiais nos difratrogramas. Os parâmetros cristalográficos obtidos para os filmes são a=b≈26Å c≈ 6.8Å, α=β=90o e γ=120o (simetria R3 ̅) e são condizentes com a literatura. O filme Ni-MOF-74 sobre FTO produzido usando solução mista de DMF: H2O: EtOH (1:1:1 vol) contendo (0,29mmol) de ácido 2,5 dihidroxitereftálico e (1,2 mmol) de nitrato de níquel hexahidratado, em autoclave mantido a 120oC por 20h, apresentou a melhor aderência ao substrato, uniformidade e conectividade de crescimento das partículas que o formam e foi selecionado para ser investigado pormenorizadamente variando parâmetros como: temperatura, concentração dos reagentes e o tempo de síntese. Todos filmes de Ni-MOF-74 produzidos tiveram parâmetros cristalinos determinados com ajuda de experimentos de difração de raio X em ângulo rasante (GIXRD) e a morfologia investigada por microscopia eletrônica de varredura (MEV). De maneira geral, observamos novamente parâmetros estruturais próximos a literatura, porém, grande variação no formato e tamanho de partículas em função dos parâmetros escolhidos para a síntese.

Abstract

There is a constant search for new functional materials to meet society's demands in various fields to reduce the environmental impacts caused by humans and the sustainability of processes. In this context, Metal-Organic Frameworks (MOFs) have sparked great interest in the scientific community due to their number of applications like greenhouse effect gas absorption and adsorption. MOFs are constructed from metal ions or clusters linked through organic ligands, forming rigid and stable porous structures. This work focuses on films' production, structural characterization, and morphological analysis based on Metal-Organic Frameworks known as MOF-74, which exhibit infinite 1D honeycomb-shaped pores. MOF-74 is a highly versatile material with applications in greenhouse gas sensing, selective gas storage, drug delivery, and catalysis due to its uniform porosity, flexibility in choosing metals and ligands, pore size, and chemical functionalization possibilities. We synthesized polycrystalline films of Me-MOF-74 where Me = (Zn, Co, Ni, Mg), using the solvothermal method, on a fluorine-doped tin oxide-coated glass substrate (FTO, SnO2:F) and confirmed their formation using conventional θ-2θ X-ray diffraction (XRD) techniques, by observing the characteristic peaks of these materials in the X-ray diffractograms. The crystallographic parameters obtained for the films are.a = b ≈ 26Å, c ≈ 6.8Å, α = β = 90°, and γ = 120° (R3 ̅ symmetry), which are consistent with the literature. The Ni-MOF-74 film on FTO, produced using a mixed solution of DMF: H2O: EtOH (1:1:1 vol) containing (0.29 mmol) of 2,5-dihydroxyterephthalic acid and (1.2 mmol) of nickel hexahydrate nitrate, in an autoclave kept at 120°C for 20 hours, exhibited the best substrate adhesion, uniformity, and particle growth connectivity and was selected for further investigation by varying parameters such as temperature, reagent concentration, and synthesis time. Films of Ni-MOF-74 on FTO were produced at different temperatures, reagent concentrations, and synthesis times. The crystallographic parameters of all these Ni-MOF-74 films were determined using grazing-incidence X-ray diffraction (GIXRD) experiments, and their morphology was investigated using scanning electron microscopy (SEM). In general, we observed structural parameters similar to the literature. Nevertheless, we observed a significant particle shape and size variation depending on the chosen synthesis parameters.

Assunto

Difração de raios X, Cristalografia, Polímeros

Palavras-chave

Difração de raio X, Redes metalorgânicas, Caracterização estrutural, Caracterização morfológica

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