26年2020月XNUMX日（Nanowerkスポットライト) 金属有機フレームワーク （MOF）は、触媒作用、ガス貯蔵、ガス貯蔵および処理に最適な材料の20つです。 これまでに、000を超える異なるMOFが製造され、特性評価されています。 「MOFはルースパウダーとして製造され、実験室規模でそのようにテストされますが、アプリケーションには通常、特定の形状と、摩耗や静水圧などの長期的な損傷応力に耐えるのに十分な機械的堅牢性を備えた、取り扱いが容易な固体が必要です。」 JérémyDhainaut、UnitédeCatalyze et Chimie du Solide（UCCS）、UniversitédeLilleの研究者（彼は当時、京都大学の統合細胞材料科学研究所（WPI-iCeMS）の博士研究員でした。この作品）。 「最近の研究では、制御されたマクロスケールの形態と優れたテクスチャ特性を備えたロボキャスティングによるMOFベースの固体の調製に焦点を当てました。」 MOFベースの固体を設計するための重要な問題は、特定の用途に関連して、材料の多孔性とその機械的抵抗の間で最適な構成を見つけることです。 チームが報告するように ACS Applied Materials＆Interfaces (「高圧ガスの貯蔵と分離に向けた堅牢な微孔性固体の3D印刷用の金属有機フレームワークインクの配合」）、3つの異なるMOFパウダー（HKUST-1、CPL-1、ZIF-8、およびUiO-66-NH）から調合されたインクの制御された堆積のために変更されたXNUMXDプリンターを使用しました2）および低比率のバインダーと可塑剤の存在下。 「このタイプのロボキャスティング（ペーストの層ごとの制御された堆積に基づくマイクロエクストルージョン技術）は、最終的な固体のサイズと形態を完全に制御できるだけでなく、効果が非常に限られているという利点があります。材料の多孔性について」とDhainautは説明します。 「少量のセルロース由来のバインダーの存在下では、固形物は乾燥後に自立するだけでなく、結果として堅牢性も示します。」 彼は、これらすべての条件を満たすことができる技術はほとんどなく、幅広いアプリケーションに特に適していると指摘しています。
ここで開発された方法論に基づく典型的なプロセスワークフロー：（1）ニーズの特定、（2）フィッティング固形物のコンピューター支援モデリング、（3）3Dプリンターを使用したMOFベースのインク堆積、および（4）評価固体の性能。 （American Chemical Societyの許可を得て転載）将来のアプリケーションに有望なのは、すべての特性評価手法が、3D印刷プロセスがMOFのテクスチャおよび構造特性にわずかに影響を与えるだけであり、ガス用粉末と同等の性能を示すことを示しているという事実です。貯蔵（二酸化炭素、メタン）および分離（エチレン/エタン）。 確かに、固体は、最初の粉末のそれに匹敵する永続的な微孔性を示した。 それらはまた、高密度のバインダーレスペレットよりもわずか1〜2桁低い高い圧縮強度を示します。 通常、多孔質粉末が成形されると、過剰なバインダーの存在に関連する性能が失われ、細孔へのアクセスが妨げられたり、緻密化プロセスが妨げられたりして、細孔ネットワークが部分的に崩壊します。 特にMOFは、互いに弱く結合している元素（金属クラスターと有機化合物）で構成されています。 「以前の研究では、工業規模で使用される高密度化技術をMOFに適用すると、パフォーマンスが不可逆的に低下することが示されています」とDhainaut氏は述べています。 「これは、ロボキャスティング技術を使用する場合には当てはまりません。」
1 wt％（a）および35 wt％（b）のCPL-51を配合したインクを使用して、同じ条件下で印刷されたCPL-1ベースのオブジェクトの写真。 （アメリカ化学会の許可を得て転載）（画像をクリックすると拡大します）チームの結果はまだ暫定的なものであり、実用的なアプリケーションを開発する前に達成する必要のあるいくつかの改善があります。 たとえば、MOF粉末の充填量を増やして、最終的な堅牢性と体積吸収（特定の体積の材料が吸着できるガスの体積）を向上させるために、より粘性の高いペーストを印刷することを計画しています。 3Dプリントされた素材。 さらに、彼らはまもなくより多孔質の粉末の印刷を開始します。これはより壊れやすいですが、最終的な材料の重量分析（特定の重量の材料が吸着できるガスの重量）を大幅に増加させます。 米国エネルギー省は、水素および天然ガス自動車の前提条件として、体積および重量による高い取り込みを設定しており、両方が同じ材料で満たされることはめったにありません。 「私たちの研究は、マイクロリアクター、吸着床、特定の形態の分離膜など、アプリケーションに完全に適応できる設計の高多孔性MOFベースの固体の調製への道を開くと信じています」とDhainautは結論付けています。
By Michael Liebreich バーガー – マイケルは、英国王立化学協会によるXNUMX冊の本の著者です。ナノ社会：技術の境界を押し上げる,
ナノテクノロジー：未来は小さい,
ナノエンジニアリング：テクノロジーを見えなくするスキルとツール
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