Metal organik kafesler (Metal Organic Framework) eşsiz özelliklere sahip çok yönlü birleşiklerdir. Ayarlanabilir gözenekli yapısı sayesinde, yenilenebilir enerji, çevresel uygulamalar, kataliz, duyarlar ve biyomedikal gibi birçok farklı alanda kullanılmaktadır.

Metal Organik Kafesler (kısa ismi ile MOFs) yüksek yüzey alanına sahip gözenekli kristal bir yapıya sahiptirler. MOFlerin yapısı inorganik ikincil yapı ögesi (SBUs) ve onların arasındaki organik bağlayıcılardan oluşur. 

Giriş

SBUslar genellikle metal iyonları, nadir toprak elementleri ya da lantanitler gurubu elementleri, organik bağlayıcılar ise iyonik ya da tarafsız organik moleküllerdir. MOFlerin bu çift yönlü yapısı, yapısı üzerindeki manipülasyonlara izin verir. Farklı SBUs ve farklı bağlayıcıları birleştirerek, farklı özellikteki farklı yapıları elde etmek mümkündür. Genel olarak, MFOların gözeneki yapısı onları gaz depolama, yüzeye tutunma ve ayırma işlemleri için mükemmel bir aday yapmaktadır. Metal Organik Kafeslerin sahip oldukları eşsiz özellikler ile birçok farklı araştırmanın merkezi olmuşlardır.

Metal Organik Kafeslerin 9 Uygulama Alanı

1. Enerji ve Çevresel Alandaki Uygulamaları

Teknolojideki hızlı yükseliş ve yatay seyre geçmesi hediyesinin bir bedeli vardır. Teknolojinin hayatımızı çok basitleştirmesinin yanı sıra küresel enerji tüketimini de çarpıcı bir biçimde artırmıştır. 2040’da küresel enerji tüketiminin %56 yükselişe geçmesi düşünmektedir. Arttan küresel enerji miktarı ile dünya enerji gereksiniminin %80nini fosil yakıtlardan sağladı ve bu da çevreye ciddi anlamda zaralar verdi. Bugün, fosil yakıt kaynaklarının sınırlı olduğu ve tüketiminin çok ciddi çevresel kirliliğe yol açtığı bir sır değildir. Bundan dolayı araştırmacılar ağırlıklı olarak yenilenebilir enerji teknolojileri, çevre kirliliği azaltması ve önlenmesi üzerine odaklanmışlardır. Bu amaç için CO2 ve NO_x gibi zararlı gazlarının yakalanması ve depolanması ve hidrojen enerjisi, güneş enerjisi, yakıt pilleri ve süperkapasitörler ilgi çekmeye başlamıştır.

Bu teknolojilerin geliştirilmesi ve ticarileştirilmesinin anahtarı özgün ve etkili malzeme gelişilmektir. MOFlar, MOF kompozitler ve MOF türevleri, yüksek gözenekli yapısı, hibrit yapısı ve ayarlana bilirliği konularında mükemmel bir potansiyel göstermektedir. Emici özellikleri H₂ ve CO₂ gazlarının etkili bir şekilde emilmesine izin verirken katalitik özellikleri güneş pillerinde enerji üretmek için MOFleri mükemmel bir malzeme yapmaktadır.

2. Gaz Depolama

MOFlerin gözenekli yapısı onları gaz depolamak ve gazları ayırmak için mükemmel bir aday yapmaktadır. Yüksek yüzey alanı gazların emilmesine yardımcı olurken yüksek gözenek hacmi yapıda depolanacak olan gaz miktarını belirler. Pratik olarak herhangi bir gaz MOF yapısının içinde depolanabilir ancak metan, H₂ ve CO₂ gazları çevresel açıdan en önemli olanlarıdır. Kritik önemlerinden dolayı, çoğu araştırma metan, H₂ ve CO₂ gazları üzerine odaklanmıştır. Hidrojen depolanması, hidrojen enerji uygulamaları için en önemli olandır. Hidrojen depolaması esas olarak van der Waals etkileşimlerine bağlıdır. Bundan dolayı, saf MOF yapısı istenilen hidrojen depolama limiti için yeterince etkili değildir. Bu sorunun üstesinden gelmek için metal bölgeler veya benzen halkaları MOF yapısına dâhil edilmiştir. İstenilen depolama kapasitesi, MOF türevlerinde düşük sıcaklıkların altında elde edilebilir.

Karbondioksit çoğunlukla fosil yakıtlarından üretilmiş, kötü namlı bir sera gazıdır. Bundan dolayı karbondioksit gaz yakalanması bilimin en önemli konusudur. Hidrojen ile karşılaştırıldığı zaman karbondioksit aktif meta bölgeleri ile birlikte MOF türevleri ile güçlü bir moleküller arası etkileşim oluşturur. MOFların normal koşullarda ve yüksek basınçlarda CO₂ depolaması için en etkili gözenekli yapıya sahip olduğu bulunmuştur.

3. Gaz Depolaması ve Ayırması

Saf gazları depolamasının yanı sıra, MOFler karışım halindeki gazlardan seçmeli emilim ve ayırma yapmak için de kullanılır. Endüstride kullanılan çoğun gazın karışmış şekilde olduğu düşünüldüğünde seçmeli emilim pratik uyulmalar için yüksek bir öneme sahiptir. Hidrojen ve metan ön yanmasından karbon dioksit yakalaması ve baca gazı yanma sonrasından karbondioksit emiliminin azaltılması önemlidir. MOF yapısına açık metal bölgeleri ve amin fonksiyonel gruplarının eklenmesi ile karbondioksitin diğer gazlardan seçilerek emilimi geliştirilebilir. MOFlerin ayarlanabilir yapısı, gaz ayırma işlemlerinde kullanılmak için mükemmel bir potansiyele sahiptir. Gözenek büyüklüğü istenilen ölçeğe getirilecek şekilde tasarlanırsa, MOFler molekül eleği gibi davranabilirler ve sadece istenilen büyüklükteki gaz moleküllerini yakalayabilirler.

4. Hidrojen Enerjisi

Zamanımızda hidrojen enerjisi fosil yakıtların tüketimi problemine karşı en umut verici alternatif enerji kaynağıdır. Hidrojenin yanma ısısı bezinin 3 kat fazladır. Bunun yanı sıra, hidrojenin yanması sonucu ortaya çıkan yan ürün sudur. Hidrojen enerjisi iki önemli kısımdan oluşmayadır; hidrojen üretimi ve depolanması. Hidrojen depolanmasında olduğu gibi, MOFler hidrojen üretiminde de önemli rol oynarlar. Fotokatalitik ve elektrokatalitik üretim süreçlerinde, MOFler hidrojen üretimi için kullanılır.

Fotokatalitik süreçler suyu dağıtma reaksiyonları için güneş enerjisini kullanılır. Bu tepkime sonucunda hidrojen ve oksijen molekülleri ortaya çıkar. MOFlerin gözenekli yapısı hafif-hasat birimleri ve aktif katalitik bölgeler için uygun bir çevre yaratır. MOFlerin fotokatalitik aktivitelerini artırmak için yapısına ışık-emici renkyapan ya da metal nanotanecikleri gibi yardımcı katalizler katılır.

Suyun hidrojen moleküllerine elektrokimyasal olarak indirgenmesi, hidrojen üretimi için başka bir yöntemdir. Elektrokatalizler reaksiyonda istenilen katalitik akım yoğunluğunu üretmek için reaksiyonun aşırı gerilimini azaltır. Bu metot için MOF yapılarının katalitik özellikleri, elektrokataliz olarak kullanılması açısından dikkat çekmiştir. Saf MOF elektrokimyasal çevrede kararlı değildir ve düşük elektrik iletkenlik gösterir. Bundan dolayı elektrokataliz olarak kullanılabilmesi için MOF yapıları metal oksitler ve gözenekli karbonlar gibi nano yapılı malzemeler ile birleştirilir.

5. Enerji Depolama

Bunların yanı sıra MOFler yeniden şarj edilebilir bataryalar ve süperkapasitörler gibi enerji depolama uygulamaları için mükemmel potansiyel gösterirler. Lityum-iyon, sodyum-iyon ve sodyum-sülfür bataryaları, gelecek vaat eden elektrot malzeme olarak MOFların dahil edilmesi yoluyla geliştirilebilir. MOFlerin yüksek yüzey alanı ve değişmeyen gözenekli yapısı, lityum iyonunun etkili bir şekilde depolanması ve şarj ve deşarj döngüleri sırasında göç etmesine izin veriri. Lityum-sülfür bataryalar için, MOFler sülfür misafiri olarak da kullanılabilir.

6. Atık Su Arıtması

Şüphesiz ki su dünyadaki en önemli maddedir. Endüstriyel uygulamalarda kullanımından basit günlük kullanımlara kadar, zararlı kimyasallar içeren büyük miktarda artık su üretilmektedir. Bu nedenle, etkili bir atık su arıtması metodu kurulması çok önemlidir. MOF yapıları membran ayırmasında membran dolgusu ya da tüm membran sistemi için kullanılabilir. MOFlerin ayarlanabilir gözenekli yapısı ile inorganik ve organik maddelerin sudan seçici bir şekilde ayrılmasını sağlar. MOFlerin hepsi atık su arıtmasında kullanılan su-kararlı MOF yapılarındadır. Bu MOFler iki farklı kategoriye ayrılabilirler. Birinci kategoride güçlü asitler güçlü bazlarla birleşirken ikinci kategoride zayıf asitler zayıf bazlarla birleşerek MOF yapısında kuvvetli bağlar oluştururlar. Birinci kategori güçlü asit metal iyonlarını ( Cr³⁺, Al³⁺, Fe³⁺ve Zr⁴⁺ gibi) kapsar. Bu tip su-kararlı MOF, MIL dizisini ve UiO dizisini içerir. İkinci kategori zayıf baz azolat ligandlarını (imidazolatlar, pirazolatlar, triazolatlar ve tetrazolatlar dahil) ve zayıf asit metal iyonları (Zn²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Mn²⁺ve Ag⁺ gibi)nı kapsar. Bu kategori ZIFleri yani Zn⁺² ve imidazolyum bağlantısından oluşan yapıyı kapsar. Su-kararlı MOFler mükemmel seçicilik ve geçirgenlik, ayarlanabilir yapıları, iyi uyumları ve kullanıldıktan sonra geri dönüştürülebilme potansiyeli olması dolayısıyla muhteşem bir performans sergilerler.

7. Kataliz Uygulamaları

MOF’lerin en önemli özelliklerinden birisi onların katalitik aktivitelerde potansiyel olarak kullanılabilmesidir. MOF’lerin katalitik özellikleri direkt olarak onların hibrit yapılarından veya katalitik olarak aktif olan ama kararlı olmayan parçacıklar ile birleştirilmesi ile oluşan uyarılmış yapılardan gelir. MOF’lerin düzenli yapısı, aktif alanların kafes boyunca düzgün bir şeklide dağılmasına izin verirken kafes yapısındaki gözenekler ve kanallar aktif bölgelere ulaşılabilirliğine ve maddenin ve ürünlerin taşınmasına olanak verir. Bunların yanı sıra, özel gözenek büyüklüğü ve şekli sayesinde MOF’ler şekil-ayırıcı katalizler olarak da görev yapmaktadır.

Birçok araştırmada MOFler heterojen kataliz, fotokataliz ve elektrokataliz olarak kullanılmıştır. MOF’ler genellikle iyi bilinen organik reaksiyonlarda heterojen kataliz olarak kullanılırlar. Örnek olarak HKUST-1 lewis-asit bölgeleri içerir ve izomerizasyon ve siyanozilleme tepkimelerinde asit kataliz olarak kullanılır.

MOF’lerin yarı iletkenlere benzer özellikleri onları potansiyel fotokataliz yapmaktadır. MOF’lerin fotokatalitik özellikleri, organik kirletici parçalanması, çeşitli organik tepkimeler, su ayrılmasında hidrojen/oksijen üretimi ve karbondioksit indirgenmesinde kullanılır. MOF’lerin düşük iletkenliği nanomalzeme eklenerek giderildiğinde, yüksek yüzey alanları ve yüksek gözenek hacmi nedeni ile mükemmel elektrokatalitik özelikler gösterirler. MOF’nun elektrokatalitik uygulamaları çoğunlukla oksijen indirgeme reaksiyonları (ORR), oksijen değiştirme tepkimeleri (OER), hidrojen değiştirme tepkimeleri (HER) ve karbon dioksit indirgeme reaksiyonları üzerine yoğunlaşmıştır.

8. Sensörler

MOF’lerin gözenekli ve ayarlanabilir yapısından ve kompozitlerinden kimyasal sensörlerde faydalanılmaktadır. MOF’ler genellikle bir konuk molekülün yapısına dahil edilmesi ile birlikte ışıldayan bir davranış gösterirler. Bu eşsiz fonksiyon sensör uygulamaları için kullanışlıdır. Ayrıca, MOF’lerin fiziksel ve kimyasal yapısı, arzu edilen moleküllere seçici bir şekilde yanıt vermek ve yüksek bir yüzey alana üzerindeki aktif bölgeleri oldukça hassa bir sensör uygulamasına yol açar. ZIF ve UiO MOF grupları bu sensör uygulamalarının odak noktası olmuştur. MOF’lar biyomoleküllerin, metal iyonlarının, patlayıcıların, çevresel toksinlerin ve nemin algılanmasında kullanılır.

9. Biyotıp

Bilimde bir diğer genişleyen alan biyomedikal uygulamalardır. Teknoloji geliştikçe etkili ve hedefe yönelik ilaç dağıtım sistemleri arayışı gittikçe daha makul hale gelmiştir. Daha iyi sistemler elde etmek için konuya farklı yaklaşımlar uygulanmıştır. MOF’lerin benzersiz yapısal çeşitliliği onları biyomedikal uygulamalar için mükemmel bir platform haline getirir. Geleneksel nanotıpların aksine MOF’lar parçalanabilirdik ve yüksek yükleme kapasitesi gösterir. Yüksek yüzey alanı, geniş gözenekleri ve kimyasal özellikleri yeni ilaç verme sistemleri ve bileşik kontrolü salımı için uygundur. İbufen, prokainamid ve antikanser tedavileri gibi farklı ilaçlarda ümit vatta eden uygulamalar araştırılmıştır.

Metal Organik Kafesler (MOF) hakkında bilgi almak için blog yazımızı ziyaret edin.

Sonuç

Metal organik çerçevelerin dünyamızdaki teknolojik gelişmelere sunacağı çok şey vardır. Eksantrik özellikleri, enerji, çevre ve biyomedikal uygulamaların iyileştirilmesi için araştırmacılar tarafından büyük ölçüde kullanılmıştır. Şüphesiz bilim topluluğundaki diğer bir çok alanı etkilemeye devam edeceklerdir.

Daha fazlası için blog yazılarımızı buradan inceleyebilirsiniz.

Kaynaklar

• https://nanografi.com/blog/what-are-the-applications-of-metal-organic-frameworks/

• Jiao, L., Seow, J. Y. R., Skinner, W. S., Wang, Z. U., & Jiang, H. L. (2019). Metal–organic frameworks: Structures and functional applications. Materials Today, 27, 43-68.
• Li, J., Wang, H., Yuan, X., Zhang, J., & Chew, J. W. (2020). Metal-organic framework membranes for wastewater treatment and water regeneration. Coordination Chemistry Reviews, 404, 213116.
• Safaei, M., Foroughi, M. M., Ebrahimpoor, N., Jahani, S., Omidi, A., & Khatami, M. (2019). A review on metal-organic frameworks: synthesis and applications. TrAC Trends in Analytical Chemistry.
• Olajire, A. A. (2018). Synthesis chemistry of metal-organic frameworks for CO2 capture and conversion for sustainable energy future. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 92, 570-607.
• Zhang, H., Nai, J., Yu, L., & Lou, X. W. D. (2017). Metal-organic-framework-based materials as platforms for renewable energy and environmental applications. Joule, 1(1), 77-107.