Porous Networks of Nanostructured Hybrid Materials

Abstract

This PhD thesis aims to develop hybrid materials/systems based on metal-organic frameworks/metal oxide (MOF/MO) for improved functionality, advanced characterization for detailed investigation of their physicochemical properties and establishing their correlation with sensing performance. The main objectives include evaluating the performance of the developed MOF/MO hybrid systems and sensors for selective detection of target analytes (hydrogen and volatile organic compounds) under adverse environmental conditions, elucidating the corresponding detection mechanism and enabling differentiation of analytes. Scientific originality and the novelty of the research: Hybrid structures based on metal-organic framework (MOF)-metal oxide (MOF/MO) systems, namely ZIF/ZnO structures, were developed using a simple and cost-effective approach. A detailed investigation of physicochemical properties of the ZIFs/ZnO and ZIFs/CuO-based hybrid materials and the establishment of a methodology to correlate structure-property-performance relationship for the selective detection of tested analytes, including volatile compounds VOCs and hydrogen gas in adverse environmental conditions is novel which makes it interesting for the scientific community. A methodology combining in-situ analysis at different temperatures with sequential detection for comprehensive gas differentiation using multiple sensors was established. The ZIF-8/CuO:Al-based hybrid structures exhibited appreciable gas response (75%) to 100 ppm hydrogen, even at a relative humidity of RH 81%, enabling their applications under adverse humid conditions for extended periods of investigations. The developed ZIF-71/CuO:Al hybrid sensor exhibited dual gas sensing for n-butanol and hydrogen at different operating temperatures of 200 ℃ and 250 ℃, respectively. Implementation of scientific results: The obtained scientific results were partially implemented within the DMIB-FCIM at the UTM, as well as one patent application.

Scopul cercetării: Teză de doctorat își propune să dezvolte sisteme hibride de tip oxid metalic-rețea metal-organică (MOF/MO) pentru o caracterizare avansată a proprietăților fizico-chimice și stabilirea corelației acestora cu performanța și funcționalitate îmbunătățită de detecție a gazelor. Evaluarea fizico-chimică avansată a sistemelor hibride oxid metalic-rețea metal-organică și a senzorilor pentru detectarea selectivă a analiților (hidrogen și compuși organici volatili) în diverse condiții de mediu, elucidarea mecanismului de detectare corespunzător pe baza răspunsurilor utilizând senzori multipli din MOF/MO. Originalitate științifică și noutatea cercetării: Structurile hibride MOF/MO bazate pe rețele metal-organice (MOF)-oxid metalic, și anume heterostructuri ZIF/ZnO. O investigație detaliată a proprietăților fizico-chimice ale materialelor hibride pe bază de ZIF/ZnO și ZIF/CuO și stabilirea unei metodologii pentru corelarea relației structură-proprietate-performanță pentru detectarea selectivă a compușilor organici volatili COV și hidrogen, reprezintă o noutate pentru comunitatea științifică. A fost stabilită o metodologie care combină analiza in-situ cu detectarea secvențială pentru diferențierea completă a gazelor de test utilizând senzori multipli pe bază de MOF/MO. Structurile hibride pe bază de ZIF-8/CuO:Al au prezentat un răspuns înalt (75%) față de 100 ppm hidrogen chiar și la o umiditate relativă ridicată de 81%, permițând aplicațiile acestora în condiții de umiditate pentru perioade lungi de timp. Senzorul hibrid pe bază de ZIF-71/CuO:Al dezvoltat a demonstrat o detecție duală a gazelor (n-butanol și hidrogen) la temperaturi de operare diferite, 200 °C și 250 °C, respectiv. Implementarea rezultatelor științifice: Rezultatele științifice obținute au fost implementate parțial în cadrul DMIB-FCIM din cadrul UTM, fiind depusă, de asemenea, o cerere de brevet de invenție.

Gasen (Wasserstoff und VOCs) unter widrigen Umweltbedingungen, die Aufkl ärung der entsprechenden Detektionsmechanismen. Zielsetzung: Eine umfassende Untersuchung der. Wissenschaftliche Originalität und Neuheit der Forschung: Hybride Strukturen auf Basis von MOF-Metalloxid-Systemen, insbesondere ZIF/ZnO-Strukturen, wurden mittels eines einfachen und kostengünstigen Ansatzes entwickelt. Eine detaillierte Untersuchung der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Hybridmaterialien auf ZIFs/ZnO- und ZIFs/CuO-Basis sowie die Etablierung einer Methodik zur Korrelation der Struktur-Eigenschaft-Leistungs-Beziehung für den selektiven Nachweis der getesteten Analyten – einschließlich VOCs und Wasserstoff unter widrigen Umweltbedingungen–stellt eine wissenschaftliche Neuerung dar, die für die Fachwelt von großem Interesse ist. Es wurde eine Methodik etabliert, die In-situ-Analysen mit sequenzieller Detektion zur umfassenden Gasdifferenzierung mittels mehrerer Sensoren kombiniert. Die Hybridstrukturen auf ZIF-8/CuO:Al-Basis zeigten eine beachtliche Sensitivität (75%) gegenüber 100 ppm Wasserstoff, selbst bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 81 %, was ihren Einsatz unter widrigen, feuchten Bedingungen über längere Zeiträume ermöglicht. Der entwickelte ZIF-71/CuO:Al-Hybridsensor wies eine duale Gasdetektion (n-Butanol und Wasserstoff) bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen (200°C und 250°C) auf. Umsetzung der wissenschaftlichen Ergebnisse: Die erzielten wissenschaftlichen Ergebnisse wurden teilweise am DMIB-FCIM der UTM implementiert; zudem wurde eine Patentanmeldung eingereicht.