1.1.2 Những nét đặc trưng quan trọng của MOFs
1.1.2.2 Tính chất của MOFs
Nét đặc trưng của MOFs là tỉ trọng thấp, diện tích bề mặt cao, kích thước lỗ xốp đồng đều. Một nét đặc biệt hấp dẫn là tính chất xốp rỗng của MOFs, nó có thể lớn hơn nhiều vật liệu xốp khác [32]. Tính chất đặc biệt này tạo tiềm năng lớn cho MOFs được sử dụng trong nhiều lĩnh vực bao gồm: lưu trữ khí, hấp thu khí, sự phân tách khí, xúc tác, dẫn truyền thuốc, thiết bị cảm quan, quang điện tử chuyển đổi ion và chống sự giản nở nhiệt [12]. Việc lưu trữ khí H2 và hấp thu CO2 là 2 ứng dụng có nhiều triển vọng trong số những vai trò quan trọng của MOFs.
a. Diện tích bề mặt cao
So sánh diện tích bề mặt giữa vật liệu MOFs với một số vật liệu lỗ xốp khác ta thấy nó có diện tích bề mặt cao hơn nhiều. Cụ thể, zeolit có diện tích bề mặt khoảng
500 m2/g, các vật liệu thuộc nhóm mesoporous như: silica, alumina có diện tích bề mặt khoảng 1000 m2/g, than hoạt tính có diện tích bề mặt khoảng từ 500 – 1500 m2/g [22] [32]. Trong khi đó, đa số các vật liệu MOFs có diện tích bề mặt khá cao, cao hơn hẳn các vật liệu truyền thống ở trên. Trong đó, một số vật liệu MOFs có diện tích bề mặt rất cao như: MOF-5 (2296 m2/g), MOF-177 (4527 m2/g), MOF-205 (4530 m2/g), MOF-205 (4460 m2/g), MOF-210 (6240 m2/g), UMCM-1, UMCM-2 (5200 m2/g) (bảng 1.3)
Hình 1.11 Diện tích bề mặt của vật liệu lỗ xốp
Các nhà nghiên cứu của trường Đại học Michigan, Mỹ, đã phát triển một loại vật liệu lỗ xốp có diện tích bề mặt lớn hơn bất cứ một loại vật liệu lỗ xốp nào có từ trước tới nay [14]. Trưởng nhóm nghiên cứu, Adam Matzger, cho biết, diện tích bề mặt là một đặc tính quan trọng của các vật liệu, có tác động tới hoạt tính xúc tác, khử độc trong nước cho tới tinh chế hydro cacbon.
Cho tới vài năm trước, giới hạn trên đối với diện tích bề mặt của các vật liệu lỗ xốp được cho là ở mức 3000 m2/g. Sau đó, vào năm 2004, một nhóm nghiên cứu của Đại học Michigan trong đó có nhà nghiên cứu Matzger đã phát triển được một vật liệu có tên là MOF-177 vượt được kỷ lục trên. Chỉ một gram MOF-177 đạt diện tích bề mặt bằng cả một sân bóng đá. Khi sử dụng cầu nối hữu cơ là phân tử H2BDC kết hợp với tâm kim loại là các ion Zn(II) ta được vật liệu MOF-5. Khi thay đổi các cầu nối hữu cơ là H3BTB ta được vật liệu MOF-177. Khi kết hợp cả hai phân tử hữu cơ trên làm cầu nối liên kết với trung tâm là các ion Zn(II) ta được UMCM-1.
Nhóm nghiên cứu hiểu rằng, vượt được kỷ lục này là một việc rất khó khăn nhưng nhóm nghiên cứu đã phá vỡ kỷ lục này bằng một loại vật liệu mới, UMCM- 2, đạt diện tích bề mặt hơn 5000 m2/g.
Nhóm nghiên cứu cho rằng, diện tích bề mặt tăng lên của loại vật liệu rỗ này sẽ mang lại khả năng tích trữ lớn hơn. Một điều thú vị hơn, mặc dù khả năng tích trữ hyđro của UMCM-2 rất cao, nhưng cũng không lớn hơn so với các vật liệu đã có ở cùng dạng. Điều này cho thấy chỉ riêng diện tích bề mặt không phải là chìa khoá cho việc tích trữ hyđro. Dù vậy, UMCM-2 rất hữu ích trong việc xác định các hướng nghiên cứu trong tương lai.
b. Kích thước lỗ xốp
Vật liệu lỗ xốp có diện tích bề mặt cao và sự tương tác rắn - lỏng mạnh, cần thiết cho sự hấp phụ. Kích thước lỗ xốp có vai trò cần thiết trong sự hấp phụ, nó ảnh hưởng đến lực phân tử lên trên vách lỗ xốp. Các vật liệu lỗ xốp được phân chia theo các nhóm kích thước lỗ xốp sau [4]:
Microporous: đường kính lỗ xốp nhỏ hơn 2 nm Mesoporous: đường kính lỗ xốp từ 2-50 nm Macroporous: đường kính lỗ xốp lớn hơn 50 nm.
MOFs bao gồm những hàng nguyên tử rộng lớn, chứa 1 phần vô cơ và 1 phần hữu cơ, do đó tạo ra diện tích bề mặt lớn và kích thước lỗ xốp rộng. MOFs có nhiều ứng dụng hấp dẫn dựa trên khả năng thích ứng của vật liệu như kích thước lỗ xốp hoặc thành phần hóa học. Hầu như các loại vật liệu MOFs đều thuộc nhóm microporous và mesoporous. [15]