Optimización y escalado de la síntesis de metal organic frameworks (MOFs) y obtención de nanocomposites mediante su descomposición térmica

Abstract

[Resumen] En este trabajo de fin de grado se ha llevado a cabo un estudio sobre los híbridos orgánicos‐inorgánicos, clasificados como MOFs (metal organic frameworks). Dentro de este estudio podemos diferenciar dos tipos MOFs antendiendo a su estructura. Por un lado se han sintetizado MOFs de naturaleza densa y estructura tipo perovskita. Entre ellos encontramos, en primer lugar el compuesto de fórmula [TPrA][M(dca)3] (M:Co+2, Ni+2; dca: dicianamida; TPrA: tetrapropilamonio). Estos compuestos presentan interesantes propiedades dieléctricas y se pueden emplear como percusores de materiales nanoestructurados de nanoparticulas magnéticas embebidas en nanotubos de carbono. El segundo MOF con estructura tipo perovskita con el que hemos trabajado es [CH3NH2][Ni(HCOO)3]. Este material es uno de los pocos materiales donde coexisten propiedades magnéticas y dieléctricas. En la primera parte del estudio se han optimizado los métodos de síntesis para la obtención de estos materiales, que han sido caracterizados utilizando técnicas de microscopia microscopía óptica, microscopía electrónica (MEB y MET), difracción de rayos X de polvo cristalino. En ambos se ha modificado con éxito el método de síntesis de estos compuestos, permitiendo obtener los materiales más rápido y en mayor cantidad. Además, en el caso del compuesto [CH3NH2][Ni(HCOO)3], los cristales tienen menos defectos y un tamaño adecuado para la realización del estudio de propiedades físicas en monocristal. Por otra parte, se ha realizado también la síntesis y caracterización del MOF poroso de fórmula general [M2(NH2‐dbc)2(dabco)][G], donde M: Co [G]: DMF, y que se caracteriza por la presencia de poros en el interior de su estructura que le otorgan un uso potencial como almacenador de gases. En esta parte del trabajo también se ha optimizado y escalado los métodos de síntesis de [M2(NH2‐dbc)2(dabco)][G], buscando una morfología adecuada en los cristales, y tratando de establecer unas condiciones reproducibles para la obtención de este MOF. Las técnicas de caracterización utilizadas han sido la microscopía óptica, microscopía electrónica (MEB y MET), difracción de rayos X de polvo cristalino. Mediante la síntesis realizada a escala se ha obtenido más cantidad de compuesto y también se ha conseguido obtener cristales morfológicamente homogéneos.

[Resumo] Neste traballo de fin de grao levouse a cabo un estudo sobre os híbridos orgánicosinorgánicos clasificados como MOFs (metal organic frameworks). Dentro de este estudo podemos diferenciar dous tipo de MOFs atendendo á súa estructura. Por un lado sintetizáronse MOFs de natureza densa e estructura tipo perovskita. Entre eles atopamos, en primeiro lugar o composto de fórmula [TPrA][M(dca)3] (M:Co+2, Ni+2; dca: dicianamida; TPrA: tetrapropilamonio). Estos compostos actúan como precursores de nanopartículas de metáis de transición recubertas de carbono, que obtéñense por calcinación térmica. O segundo MOF con estructura tipo perovskita co que traballamos é o [CH3NH2]Ni[HCOO]. Co obxecto de obter as nanopárticulas de Co@C e Ni@C mediante calcinación, realizouse unha análise termogravimétrica entre 20oC e 900oC, que ademais nos proporciona información sobre a estabilidade estrutural que presentan estes compostos coa temperatura. Na primeira parte do estudo optimizáronse os métodos de síntesis para a obtención de estos materias, que foron caracterizados utilizando técnicas de microscopía óptica, microscopía electrónica (MEB y MET), e difracción de raios X de po cristalino. Por último, realizouse tamén a síntesis e caracterizacíon do MOF poroso de fórmula M2(NH2‐dbc)2(dabco)][G], donde M:Co y [G]: DMF, e que se caracteriza pola presenza de poros no interior da súa estructura, os cales lle outorgan un potencial uso como almacenador de gases. Nesta parte parte do traballo tamén se optimizaron os métodos de síntesis para o [M2(NH2‐dbc)2(dabco)][G], buscando una morfoloxía axeitada nos cristáis, e tratando de establecer unas condicións reproducibles para a obtención deste MOF. As técnicas de caracterización empregadas foron a microscopía óptica, microscopía electrónica (MET y MEB) e difracción de raios X de po cristalino.

[Abstract] In this final work to obtain the chemistry degree, it has been developed a study about the organic‐inorganic hybrids known as MOF (metal organic frameworks). From a structural point of view we can distinguish two types of MOF in this study. The first types of MOF, which have been synthetised, are high density MOFs with perovskite structure. One of them has the formula [TPrA][M(dca)3] (M:Co+2, Ni+2; dca: dicyanamide; TPrA: tetrapropylammonium). These compounds are precursors of transition metals nanoparticles covered with carbon, which are obtained by thermal calcination. The other perovskite MOF we have worked with is [CH3NH2]Ni[HCOO]. In order to obtain the nanoparticles Co@C y Ni@C using calcinations, it has been performed a thermogravimetric analysis from 20oC to 900oC. The TGA also provide us thermal stability information, about the integrity of these compounds with high temperatures. In the first part of the study we have improved the synthesis methods for the obtaining of these materials. The compounds have been characterized using optical microscopy, electronic microscopy (SEM and TEM), and powder X ray diffraction. Finally, we have synthetised and characterized a porous MOF with formula M2(NH2‐ dbc)2(dabco)][G], where M:Co and [G]: DMF, which is special for his porous nature. Because of that it can be used for gas storage. In this part of the work the synthesis methods have been optimized, regarding the compound [M2(NH2‐dbc)2(dabco)][G], looking for an appropriate morphology of the crystals. We also tried to establish reproducible conditions for the obtaining of this MOF. The characterization techniques that have been used are, optical microscopy, electronic microscopy (SEM and TEM), and powder X ray diffraction.