Ladění katalytické aktivity metal-organické sítě pro rozklad organofosfátů

Bc. Helena CULKOVÁ

Master's thesis

Tuning of catalytical activity on metal-organic framework for organophosphate degradation

Abstract:

Organofosfáty jsou známy jako velice toxické látky, které našly využití jako pesticidy či bojové látky. Je tedy zapotřebí hledat způsob, jak tyto látky rychle a účinně degradovat. Jedním ze způsobů degradace je využití metal-organických sítí, tzv. MOFů, které slouží jako katalyzátory pro rozklad organofosfátů. MOFy řadíme mezi hybridní porézní koordinační polymery, které jsou složeny z anorganických kovových stavebních jednotek vzájemně propojených organickými linkery. Tato diplomová práce se konkrétně zabývá zirkoničitým MOFem známý jako MOF-808 a jeho katalytickou aktivitou pro rozklad methyl-paraoxonu, který sloužil jako simulant široké škály různých organofosfátových sloučenin. V této práci bylo cílem připravit vybraný MOF-808 a následně ho otestovat z hlediska výluhu jeho linkeru, což by mohl být nástroj k zavádění nových defektů, tj katalytických center, do struktury. Následně bylo zapotřebí vyhodnotit, zda toto ovlivňuje jeho katalytickou aktivitu. K zavádění nových defektů se využila metoda automatické titrace, kdy byl MOF vystaven vodnému prostředí při různém pH a sledovalo se množství uvolněného linkeru. Koncentrace uvolněného linkeru byla měřena pomocí kapalinové chromatografie. Bylo zjištěno, že s rostoucím pH roste množství uvolněného linkeru, a to až do úplného rozpadu MOFu. Vzorky, které měly různé % uvolněného linkeru byly dále testovány na katalytický rozklad methyl-paraoxonu. Cílem bylo zjistit, zda katalytická aktivita poroste s množstvím uvolněného linkeru (tj. s větším množstvím defektů ve struktuře) tak, jako bylo pozorovánu o MOFu UiO-66. Z katalytických experimentů vyplývá zajímavé zjištění. Rostoucí množství uvolněno linkeru vede naopak ke zpomalení katalytického rozkladu methyl-paraoxonu, což je v rozporu s očekáváním plynoucí z literatury. Znamená to, že alkalické ošetření MOFu jako nástroj k tvorbě nových katalytických center není univerzální metoda, ale může být využita jen pro některé MOFy, např. UiO-66.

Abstract:

Organophosphates are known as very toxic compounds that have found use as pesticides or chemical warfare agents. Therefore, it is necessary to find a way to quickly and efficiently degradation of these substances. One methods for the degradation is usage of metal-organic frameworks, called MOFs, which serve as catalysts for the decomposition of organophosphates compounds. MOFs are classified as hybrid porous coordination polymers which are composed of inorganic metal building units connected to each other by organic linkers. This thesis specifically deals with a zirconium-based MOF known as MOF-808 and its catalytic activity for the decomposition of methyl-paraoxon which served as a simulant for a wide range of different organophosphate compounds. In this work, selected MOF-808 was prepared and then it was tested it in terms of leaching of its linker which should be a tool to introduction of new defects, i.e. catalytic centers, into the structure. In next step, it was necessary to evaluate whether this affects its catalytic activity. For introduction of new defects, an automatic titration method was used where the MOF was exposed to an aqueous environment at different pH and the amount of released linker was monitored. The concentration of the released linker was measured by liquid chromatography. It was found that with increasing pH, the amount of released linker increases, until the complete disintegration of the MOF. Samples that had different % of released linker were further tested for the catalytic decomposition of methyl-paraoxon. The goal was to determine whether the catalytic activity increases with the amount of released linker (i.e. with more defects in the structure) as was observed for MOF UiO-66. An interesting finding emerges from the catalytic experiments. The increasing amount of the linker released leads to a slowing down of the catalytic decomposition of methyl-paraoxon which is contrary to the expectations derived from the literature. It means that the alkaline treatment of MOFs as a tool to create new catalytic centers is not a universal method, but can only be used for some MOFs, e.g. UiO-66.

Keywords

Organofosfáty, degradace, metal-organické sítě (MOFy), methyl-paraoxon, MOF-808, katalytická aktivita

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 29. 9. 2022

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Daniel Bůžek, Ph.D.

JAN EVANGELISTA PURKYNĚ UNIVERSITY IN ÚSTÍ NAD LABEM

Faculty of Environment

Master programme / field:
Technologies for environmental protection / Environmental technology