Growth of Metal Organic Frameworks (MOFs) layers on functionalized surfaces

par Hongye Yuan

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Philippe Allongue.

Soutenue le 20-09-2017

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale INTERFACES : approches interdisciplinaires / fondements, applications et innovation (Palaiseau, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec PMC - Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (laboratoire) et de École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (Établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Nathalie Steunou.

Le jury était composé de Philippe Allongue, Catherine Henry de Villeneuve, Christian Serre.

Les rapporteurs étaient Aude Demessence, Rob Ameloot.

  • Titre traduit

    Croissance des composés Metallorganiques (MOFs) sur des surfaces de silicium fonctionnalisées


  • Résumé

    Dans ce travail, nous étudions les conditions de synthèse pour la croissance directe des MOF Fe3 + / H2BDC et Fe3 + / H2NDC sur des surfaces de silicium fonctionnalisées (111) présentant une structure bien définie et dont la chimie de surface peut être adaptée pour favoriser / diriger la nucléation et la croissance hétérogènes Des MOF. Le mécanisme de croissance des MOF pertinents aux conditions choisies et les propriétés flexibles des cadres MIL-88B et MIL-88C sont également présentés avec l'aide des résultats du traitement post-synthèse.En ce qui concerne le système de morphologies et structures Fe3 + / H2BDC, les structures des couches obtenues dépendent fortement de la chimie de surface des monocouches greffées et aussi des conditions de synthèse (température, composition de la solution et temps de réaction). Les cristaux MIL-88B orientés sur la direction [001] sont seulement observés sur des surfaces fonctionnalisées par COOH et se sont révélés être favorisés en présence d'un excès de ligand en solution. La formation de la phase MIL-101 texturée le long de la direction [111] sur les surfaces de Si pyridyl et hydroxy-terminé est observée indépendamment de la condition de synthèse. Des cristaux MIL-101 isolés avec une orientation préférée le long de la direction [111] ont également été trouvés sur une surface terminée par acide à un excès de métal, alors que les îlots MIL-101 orientés au hasard sont observés au rapport R ≧ 1. Au contraire, aucune croissance du film ne s'est produite sur les surfaces de Si à terminaison méthyle. L'introduction de HCl, de H2O et de base faible organique -triéthylamine dans les solutions précurseurs affecte également la formation de films MOF avec différentes morphologies et couverture entre MIL-101 et MIL-88B sur des surfaces de Si à terminaison carboxylique. La dépendance temporelle de la croissance du film à un excès de ligand (R = 2) et d'un excès de métal (R = 0,5) sans et avec addition de HCl indique clairement que les deux MIL-88B et MIL-101 suivent un mode de croissance Volmer-Weber, Au cours de laquelle, des cristaux ou des grappes tridimensionnels isolés se sont formés à l'étape initiale et se sont développés latéralement et verticalement à la surface.En ce qui concerne le système de Fe3 + / H2NDC, en fonction des conditions de synthèse, y compris la température, le rapport du ligand à la concentration [Fe3 +] et [Fe3 +] seulement une phase-MIL-88C avec une couverture de surface variable allant des cristaux hexagonaux séparés aux couches composées d'isolés On a observé des faisceaux de cristallites hexagonales tous avec une orientation préférentielle le long de la direction. L'évolution des cristaux de MIL-88C avec le temps de cristallisation suggère également un mode Volmer-Weber.Les mesures ex-situ XRD du post-traitement vers les couches synthétisées constituées de MIL-88B et MIL-88C démontrent respectivement leur flexibilité lors de la désorption des molécules. Les mesures provisoires de la XRD in situ montrent également la réversibilité du cadre MIL-88C lors de l'absorption et de la libération de l'éthanol.


  • Résumé

    Within this work we investigate synthesis conditions for the direct growth of Fe3+/H2BDC and Fe3+/H2NDC MOFs onto functionalized silicon (111) surfaces exhibiting well-defined structure and whose surface chemistry can be tailored in order to favor/direct the heterogeneous nucleation and growth of the MOFs. Growth mechanism of relevant MOFs at chosen conditions and flexible properties of MIL-88B and MIL-88C frameworks are presented as well with the assistance of post-synthesis treatment results.Regarding the system of Fe3+/H2BDC morphologies and structures of obtained layers strongly depend both on surface chemistry of grafted monolayers and also on the synthesis conditions (temperature, solution composition and reaction time). Oriented MIL-88B crystals along [001] direction is only observed onto COOH-functionalized surfaces and was found to be favored in presence of ligand excess in solution. The formation of textured MIL-101 phase along [111] direction on pyridyl and hydroxyl terminated Si surfaces is observed irrespective of the synthesis condition. Isolated MIL-101crystals with preferred orientation along [111] direction was also found on acid terminated surface at excess of metal, whereas randomly oriented MIL-101 islands are observed at ratio R≧1. In contrary, no film growth happened on methyl terminated Si surfaces. Introduction of HCl, H2O and organic weak base-triethylamine into the precursor solutions also affects the formation of MOF films with various morphologies and coverage between MIL-101 and MIL-88B on carboxylic terminated Si surfaces. Time dependence of film growth at excess of ligand (R=2) and at excess of metal (R=0.5) without and with addition of HCl indicates clearly that both of MIL-88B and MIL-101 follows a Volmer-Weber growth mode, during which, isolated three-dimensional crystals or clusters formed at initial stage and grew both laterally and vertically on the surface.As to the system of Fe3+/H2NDC, depending on the synthesis conditions including temperature, ratio of ligand to [Fe3+] and [Fe3+] concentration only one phase-MIL-88C with variable surface coverage ranging from separated hexagonal crystals to layers composed of isolated bundles of hexagonal crystallites all with preferential orientation along [001] direction was observed. Evolution of MIL-88C crystals along with crystallization time also suggests a Volmer-Weber mode.Ex-situ XRD measurements of post-treatment towards the as-synthesized layers comprised of MIL-88B and MIL-88C respectively demonstrate their flexibility during molecule desorption. Tentative in-situ XRD measurements also show the reversibility of MIL-88C framework upon ethanol uptake and release.


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