Исследователи из США получили металлоорганические каркасные структуры [metal-organic frameworks (MOF)], на настоящее время отличающиеся наиболее значительной химической и термической устойчивостью. Новые MOF могут оказаться более эффективными промышленными катализаторами, чем цеолиты.

Природные цеолиты представляют собой пористые алюмосиликатные породы, которые применяются в промышленных процессах в качестве катализаторов. Однако их применение ограничивается тем обстоятельством, что для цеолитов зачастую сложно изменять размеры пор или проводить их функционализацию. MOF, полученные за счет связывания металлоксидных кластеров органическими молекулами – линкерами – характеризуются сходным с цеолитами строением и, таким образом, рассматриваются в качестве альтернативы цеолитам.

До настоящего времени известные металлоорганические каркасные структуры не обладали устойчивостью достаточной, чтобы выдерживать условия, воздействию которых цеолиты подвергаются в промышленных процессах. До настоящего времени были описаны только MOF, стабильные при температурах гораздо меньших 500°, некоторые из которых к тому же отличаются гидролитической нестойкостью.

Рис. 1. Новые MOF были получены с помощью
реакции солей металлов с триспиразолилбензолом.
(Рисунок из Chem. Sci., 2011, DOI: 10.1039/c1sc00136a).

Джеффри Лонг (Jeffrey Long) из Университета Калифорнии (Беркли) смог получить металлоорганические каркасные структуры, которые устойчивы при температуре до 510°C в интервале рН от 2 до 14. Новые MOF были получены с помощью реакции хлоридов или нитратов кобальта, никеля, цинка или меди с триспиразолилбензолом. Депротонирование органических соединений, связывающих металлоцентры, привело к образованию трехмерной каркасной структуры. Было получено четыре типа соединений, связи металл-лиганд в которых исключительно прочны, такая стабильность важна для практического применения.

Для проверки того, насколько способны новые MOF сохранять свое строение в жестких условиях, исследователи нагревали их до 500°C или кипятили в концентрированных растворах сильной кислоты или сильной щелочи в течение двух недель. Особенно устойчивой, по словам Лонга, оказалась металлоорганическая каркасная структура на основе никеля, проявлявшая невиданную ранее стабильность в широком интервале рН.

Рассел Моррис (Russell Morris) из Университета Св. Андрея отмечает, что хотя известно несколько термически устойчивых металлокаркасных органических соединений, наиболее выдающейся чертой производных, полученных Лонгом, является то, что в структуре этих MOF имеются координационно ненасыщенные атомы металла, что должно увеличивать реакционную способность новых систем.

Площадь поверхности гетерогенного катализатора важна для активности катализатора, так как с увеличение площади поверхности катализатора увеличивается количество активных центров катализатора. По словам Лонга, у полученных в его группе MOF площадь поверхности выше, чем у цеолитов. Лонг полагает, что полученные в его группе металлоорганические каркасные структуры могут применяться для увеличения эффективности каталитических процессов, молекулярного разделения и хранения сжатого газа.