Autoren:	Schäfer, Philipp
Titel:	Electrochemical growth of CuBTC : improving the synthesis toolkit through mechanistic understanding
Online-Publikationsdatum:	29-Mai-2017
Erscheinungsdatum:	2017
Sprache des Dokuments:	Englisch
Zusammenfassung/Abstract:	Metal-organic frameworks (MOFs) are crystalline, nanoporous materials that consist of metal cations and organic linker molecules with multiple functional moieties. The sheer infinite amount of possible metal ion-linker combinations makes MOFs in principle ready to be synthesized and tuned to desire for a large variety of applications as gas sensors, gas separation materials or as substrates for catalysis. Lack of synthesis predictability due to missing knowledge about the physicochemical processes during MOF production until now prevents their widespread industrial use. One specific synthetic pathway, namely the electrochemical synthesis, promises fast and versatile MOF synthesis. The electrochemical potential gives an easily controllable parameter that can be exploited to tune material properties such as the crystal size to desire. To exploit the full range of possibilities the electrochemical synthesis offers, deep understanding of the molecular processes underlying MOF synthesis is necessary. This thesis aims to gain this understanding on the archetypical MOF CuBTC. CuBTC, as one of only few MOFs, shows direct growth on the surface of the electrode used, a desirable property for facile production of i.e. gas separation membranes. Using a variety of physicochemical methods such as Raman spectroscopy, UV/VIS spectroscopy and cyclic voltammetry the mechanism of electrochemical CuBTC growth is investigated in depth. We investigate the oxidation mechanism of the copper electrode during the synthesis. To facilitate future development of surface-bound MOF coatings, we study the molecular-level reason for the on-surface growth of CuBTC. Finally, we are able to answer the question about the high rate of electrochemical MOF production compared to the classical pathway of homogeneous nucleation from solution. We unravel a two-step oxidation process from copper to Cu2+ with cuprite as a necessary intermediate. Based on our insight we develop an easy fabrication method for patterned MOF coatings. Additionally, we investigate the specific interaction between the linker molecule BTC and electrified Cu surfaces. We find a strong potential-dependent adsorption of BTC that could explain why CuBTC specifically forms surface-bound MOF coatings contrary to the majority of electrochemically synthesized MOF materials. Lastly, we study the kinetics of CuBTC growth in solution. We find an unexpected inverse relation between the concentration of linker molecules and the growth rate of CuBTC. We develop a chemical reaction model including the formation of an overcoordinated BTC species that shows a good qualitative fit with the experimental results. Our model can yield an explanation for fast electrochemical growth in which the chemical equilibria are shifted to favor CuBTC growth instead of the overcoordinated species. Finally, we summarize our results and give possible directions for future research. Metall-organische Gerüstverbindungen (MOFs) sind kristalline, nanoporöse Materialien, die aus Metall-Kationen und polyfunktionellen organischen Linkermolekülen bestehen. Die nahezu unendliche Anzahl möglicher Metall-Linker Kombinationen ermöglicht es, MOFs für eine große Vielfalt an Anwendungen als Gassensoren, in der Gasseparation und der Katalyse zu synthetisieren. Ein Mangel an rationaler Planbarkeit der Synthese neuer Materialien liegt im fehlenden Wissen über die molekularen Prozesse während der Synthese begründet und verhindert verbreitete industrielle Anwendung von MOFs. Die elektrochemische Synthese ist ein schneller Weg zur Produktion von MOFs. Das elektrochemische Potential ist ein einfach zu kontrollierender Parameter, der ausgenutzt werden kann, um die Materialeigenschaften (bspw. die Kristallgröße) nach Belieben zu beeinflussen. Um die Möglichkeiten der elektrochemischen Synthese besser auszunutzen, ist ein grundlegendes Verständnis der physikochemischen Prozesse, die dem MOF Wachstum zu Grunde liegen, nötig. In dieser Arbeit möchten wir dieses Verständnis am archetypischen MOF CuBTC erlangen. CuBTC ist eines der wenigen MOFs, die direktes Wachstum auf der Elektrodenoberfläche zeigen. Die direkte Beschichtung von Substraten ist eine erstrebenswerte Charakteristik von MOF Synthesen um die einfache Produktion von, zum Beispiel, Gasseparationsmembranen zu ermöglichen. Mit Hilfe von Raman und UV/VIS Spektroskopie sowie zyklischer Voltammetrie wird der Mechanismus elektrochemischen CuBTC Wachstums untersucht. Wir untersuchen den Mechanismus der Oxidation der Kupferelektrode, welche dem MOF Wachstum zugrunde liegt. Um die Entwicklung weiterer oberflächengebundener MOF Beschichtungen zu vereinfachen, suchen wir nach dem chemischen Grund für das Wachstum von CuBTC auf der Oberfläche. Schlussendlich beantworten wir die Frage nach der im Vergleich zur klassischen Synthese hohen Geschwindigkeit der elektrochemischen Synthese. Wir decken einen zweistufigen Oxidationsprozess von Kupfer zu Cu2+ mit Kuprit als Intermediat auf. Auf Basis unserer Entdeckung entwickeln wir einen einfachen Weg, strukturierte MOF Beschichtungen herzustellen. Anschließend untersuchen wir die spezifische Interaktion zwischen dem Linkermolekül BTC und Cu Oberflächen, an die eine Spannung angelegt wird. Wir beobachten eine potentialabhängige Adsorption von BTC, die eine Erklärung für das Oberflächenwachstum von CuBTC liefern kann. Zuletzt untersuchen wir die Kinetik des Wachstums von CuBTC in Lösung bei Raumtemperatur. Wir beobachten eine inverse Proportionalität zwischen der Konzentration des Linkers in Lösung und der Wachstumsgeschwindigkeit von CuBTC. Wir entwickeln ein chemischen Reaktionsmodell, das die Bildung einer überkoordinierten Kupfer-BTC Spezies beinhaltet und gute qualitative Übereinstimmung mit den experimentellen Daten zeigt. Unser Modell kann eine Erklärung für das schnelle elektrochemische Wachstum liefern. Während der elektrochemischen Synthese ist zu erwarten, dass die chemischen Gleichgewichte zu Gunsten der Bildung von CuBTC (im Vergleich zur überkoordinierten Spezies) verschoben werden. Abschließend fassen wir unsere Ergebnisse zusammen und geben Vorschläge für weiterführende Forschung auf dem Gebiet.
DDC-Sachgruppe:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Veröffentlichende Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Organisationseinheit:	Externe Einrichtungen
Veröffentlichungsort:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4847
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000013281
Version:	Original work
Publikationstyp:	Dissertation
Nutzungsrechte:	Urheberrechtsschutz
Informationen zu den Nutzungsrechten:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Umfang:	125 Seiten
Enthalten in den Sammlungen:	JGU-Publikationen