Design and synthesis of novel MOF-based materials: tailoring functional properties for advanced applications

Resum

Des del seu descobriment a finals de la dècada de 1990, els “metal-organic frameworks” (MOFs) han revolucionat el món dels materials porosos, impulsant un creixement exponencial en la seva investigació que continua avui dia. A causa de la seva porositat excepcional i la seva versatilitat química, els MOFs han demostrat gran potencial en diverses aplicacions, per exemple, en adsorció i separació de gasos, lliurament de fàrmacs, detecció, electrònica, catàlisi i descontaminació d'aigües, entre d'altres. No obstant això, el seu ús es manté en gran part limitat a l'àmbit acadèmic, ja que la seva implantació generalitzada encara s'enfronta a grans reptes. Alguns dels paràmetres que dificulten la seva comercialització i industrialització són: la seva inestabilitat química, les seves rutes sintètiques costoses i insostenibles i la seva forma en pols fina. Per fer front a aquests reptes, aquesta tesi presenta diversos materials nous basats en MOFs amb propietats funcionals adaptades per explorar aplicacions clau, mentre s’intenten abordar factors que frenen la seva àmplia comercialització i ús. Amb aquest propòsit, les estratègies tècniques s’han centrat en el disseny racional de MOFs, així com en la seva funcionalització i estructuració en sistemes macroscòpics. A més, es prioritzen els processos sostenibles, especialment els que utilitzen tecnologies de CO2 supercrític (scCO2). Les aplicacions investigades aquí inclouen: lliurament de fàrmacs, adsorció i separació de gasos, catàlisi i descontaminació d'aigua. Els estudis de lliurament de fàrmacs es centren en el CaSyr-1, un nou bioMOF porós que permet la creació d'entitats triplement bioactives. El CaSyr-1 es sintetitza, s'impregna, es funcionalitza i s'integra en materials compostos utilitzant reactius i dissolvents no tòxics per garantir biocompatibilitat i adequació per a aplicacions biomèdiques. Les aplicacions d'adsorció i separació de gasos s'investiguen mitjançant materials basats en MOFs estructurats en aerogels. Aquests sistemes demostren un augment en la practicitat alhora que preserven les propietats texturals úniques dels MOF. Concretament, aquest camp s’ha estudiat amb els aerogels “CaSyr-1/estearat” i “HKUST-1/òxid de grafè”. La investigació catalítica i de descontaminació d'aigua es centra en el NU-1000, un MOF altament porós i robust basat en Zr que permet un control precís de la funcionalització química dels seus porus. Per als estudis catalítics, focalitzats en la conversió de CO2 mitjançant electrocatàlisi i termocatàlisi, el NU-1000 modificat pre- i post-sintèticament demostra una activitat catalítica excel·lent, especialment per a la hidrogenació de CO2 en metanol. Per a la descontaminació de l'aigua, centrada en l'eliminació de Hg (II), la incorporació pre-sintètica de grups que contenen sofre en el NU-1000 i la posterior integració de partícules del MOF en una matriu d'aerogel d'òxid de grafè reduït donen lloc a un sistema pràctic i reutilitzable amb alta afinitat pel Hg(II).

Data del Ajut	8 d’abr. 2025
Idioma original	Anglès
Supervisor	Maria Concepción Domingo Pascual (Director/a) & Ana Maria López Periago (Director/a)