Advances on the synthesis of MOFs at scale

Abstract

La presente tesis doctoral ha sido dedicada al desarrollo y optimización de metodologías para la síntesis de MOFs en medio acuoso, así como su conformación y el avance hacia la producción a gran escala de estos materiales. El primer capítulo presenta una breve introducción a los materiales porosos, empezando por los ejemplos presentes en la naturaleza, a los que luego sigue una breve historia sobre los MOFs y sus principales aplicaciones. Se prestará también especial atención a las metodologías usadas actualmente en la síntesis a gran escala de MOFs y su posterior procesado. El segundo capítulo presenta los objetivos, generales y específicos, de esta tesis. En el tercer capítulo se ilustra el uso de complejos metálicos de acetilacetonato como precursores alternativos en la síntesis acuosa a baja temperatura de varios MOFs, entre ellos MOFs basados en Zr, Fe y Al. Para cada material (UiO-66-NH2, Zr-fumarato, UiO-66-(OH)2, UiO-66-(COOH)2, MIL-88A y CAU-10), se definieron y optimizaron diversos parámetros experimentales con el fin de aumentar el rendimiento y la calidad del material final. Finalmente, se confirma la escalabilidad de esta metodología a través de una síntesis optimizada a gran escala de UiO-66-NH2 en agua a temperatura ambiente. El cuarto capítulo demuestra el uso de la técnica de secado por atomización, o ‘Spray Drying’, como un método “verde” y escalable para la producción de Zr-MOFs en forma de cuentas esféricas. Se definirá la importancia de diversos factores experimentales, y se demostrará su impacto en la síntesis de UiO-66-NH2 y Zr-fumarato. Finalmente, la escalabilidad del método será probada a través de una síntesis acuosa optimizada de UiO-66-NH2 a escala de gramos. Finalmente, el capítulo final se estudia el proceso de estructuración de varios MOF obtenidos con la técnica de ‘Spray Drying’ (HKUST-1 y UiO-66- NH2) y de lotes de síntesis (UiO-66 y UiO-67) y su influencia en sus propiedades de adsorción. Tras ser modelados en forma de pastilla a diferentes presiones, se estudiaron sus nuevas propiedades mecánicas y de superficie.

The present PhD Thesis has been dedicated to the development of basic knowledge on aqueous synthesis methodologies of MOFs and their shaping in order to make advances towards the large scale production of MOFs. The first chapter presents a brief introduction to the porous materials, starting with the examples from nature, which is then followed by a short history of MOFs and their main applications. Additionally, we pay special attention to the current methodologies that are performed for the synthesis of MOFs at scale and downstream processes. The second chapter consists of general and specific objectives of this Thesis. In the third chapter, the usage of metal acetylacetonate complexes as an alternative metal salt for the synthesis of MOFs is illustrated in water for several MOFs, including Zr-, Fe- and Al- based MOFs at low temperatures. For each MOF (UiO-66-NH2, Zr-fumarate, UiO-66-(OH)2, UiO-66-(COOH)2, UiO-66- COOH, MIL-88A and CAU-10), critical experimental parameters are defined and optimized to obtain high quality materials with high yields. Finally, the scalability of the methodology is shown with the gram scale synthesis of UiO- 66-NH2 by using optimized parameters in water at room temperature. The forth chapter demonstrates the continuous flow spray-drying technique that can be used as a green and scalable method to produce Zr-MOFs in the form of spherical beads. The influences of the important experimental factors are defined and the impact of those parameters on the synthesis of UiO- 66-NH2 and Zr-fumarate is shown. Finally, the scalability of the methodology is proven with the gram scale synthesis of UiO-66-NH2 by using optimized parameters in water. In the final chapter, the shaping process of the several MOFs that were synthesized by the spray-drying (HKUST-1 and UiO-66-NH2) and batch (UiO- 66 and UiO-67) synthesis methodologies is demonstrated. Mild pelletization technique is used to shape the MOFs into tablets to study textural and mechanical properties.