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Type: Dissertação
Title: Síntese de cofs assistida por micro-ondas: otimização do tempo e escalonamento
Author(s)/Inventor(s): Silva, Victor Cesar de Oliveira Ribeiro
Advisor: Esteves, Pierre Mothé
Co-advisor: Almeida , João Monnerat Araújo Ribeiro de
Abstract: Os materiais reticulares orgânicos, ou COFs (do inglês, Covalent Organic Framework) possuem uma alta área específica, devido aos poros formados pela sua organização estrutural, a partir dos quais podem ser utilizados em diversas aplicações — como captura de gases, catálise e filtragem. Entretanto, apesar dos bons resultados nas aplicações às quais foram submetidos, ainda há um descompasso entre o uso dos COFs no ambiente acadêmico e sua implementação em escala industrial. Um dos principais empecilhos é o longo tempo de síntese, em geral 72 horas, o que resulta em uma baixa taxa de formação do material, devido ao uso dos métodos tradicionais. Com isso, este trabalho apresenta a otimização na preparação dos COFs visando a redução no tempo de reação, mantendo um rendimento equivalente ao método usual. O COF RIO-12 e TPB-DMTP-COF, escolhidos por serem distintos quanto ao tamanho de poro, foram produzidos através da síntese assistida por micro-ondas por meio da condensação entre os blocos de construção 1,3,4-triformilresorcinol e hidrato de hidrazina ou cloridrato de hidrazina, para o RIO-12; e entre os blocos 1,3,5-Tris(4-aminofenil)benzeno e 2,5-dimetoxitereftalaldeido, no caso do TPB-DMTP. Os COFs foram caracterizados por difração de raios X em pó (PXRD) e através da adsorção-dessorção de N2 (77 K) e Ar (87K) utilizando o refinamento Pawley; e os métodos Brunauer-Emmett-Teller (BET), NL-DFT e Nguyen-Do a fim de avaliar, respectivamente, das propriedades estruturais e texturais dos materiais obtidos em função da redução do tempo de reação, bem como comparar as diferentes metodologias empregadas. Além disso, foi avaliada a capacidade de adsorção de CO2 do RIO-12 obtido em diferentes condições de síntese. Através desta abordagem, foi possível reduzir o tempo de síntese do TPB-DMTP de três dias para 3 h com rendimento de 63% e área de 2163 m2/g. No caso do RIO-12, a redução foi mais significativa: de três dias com 901 m2/g de área e rendimento de 77%, para 15 minutos, com 741 m2/g de área e um rendimento de 60%. Destaca-se ainda a elevada capacidade de adsorção de CO₂ apresentada pelo RIO-12 sintetizado em 15 minutos. Assim, os resultados demonstram a viabilidade de se obter COFs com alta cristalinidade e área superficial por meio de síntese assistida por micro-ondas, possibilitando uma redução de até 99% no tempo de reação, sem prejuízo no rendimento — o que representa um avanço importante rumo à viabilização da produção em escala industrial.
Abstract: Covalent Organic Frameworks (COFs) are materials with high specific surface area due to the pores formed by their structural organization, which allows them to be used in various applications — such as gas capture, catalysis and filtration. However, despite the good results in the applications, there is still a gap between the use of COFs in academic environments and their industrial implementation. One of the main obstacles is the long synthesis time, generally 72 hours, which results in a low rate of material formation due to the use of traditional methods. Thus, this work presents an optimization in the preparation of COFs aiming to reduce the reaction time while maintaining a yield equivalent to the traditional method. RIO-12 and TPB-DMTP-COF, chosen for their differences in pore size, were produced through microwave-assisted synthesis via condensation between the building blocks 1,3,4-triformylresorcinol and hydrazine hydrate or hydrazine hydrochloride for RIO-12; and between the blocks 1,3,5-Tris(4-aminophenyl)benzene and 2,5-dimethoxyterephthalaldehyde, in the case of TPB-DMTP. The COFs were characterized by powder X-ray diffraction (PXRD) and by N₂ (77 K) and Ar (87 K) adsorption-desorption using Pawley refinement; and the Brunauer–Emmett–Teller (BET), NL-DFT and Nguyen-Do methods in order to evaluate the structural and textural properties of the materials as a function of the reduction in reaction time, as well as to compare the different methodologies employed. In addition, this study evaluated the CO₂ adsorption capacity of RIO-12 synthesized under different conditions. Through this approach, it was possible to reduce the time of the reaction of TPB-DMTP from three days to 3 hours with a yield of 63 % and surface area of 2163 m²/g. In the case of RIO-12, the reduction was more significant: from three days with 901 m²/g of surface area and 77 % yield to 15 minutes, with 741 m²/g of surface area and a 60 % yield. The high CO₂ adsorption capacity shown by the RIO-12 synthesized in 15 minutes is also noteworthy. Thus, the results demonstrate the feasibility of obtaining COFs with high crystallinity and surface area through microwave-assisted synthesis, enabling a reduction of up to 99 % in reaction time without compromising yield — which represents an important step towards enabling large-scale production.
Keywords: Estrutura orgânica covalente
Micro-ondas
Gás carbônico
COFs
Covalent Organic Frameworks
Subject CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA ORGANICA::SINTESE ORGANICA
Program: Programa de Pós-Graduação em Química
Production unit: Instituto de Química
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: 2025
Publisher country: Brasil
Language: por
Right access: Acesso Aberto
Citation: SILVA, Victor Cesar de Oliveira Ribeiro. SÍNTESE DE COFS ASSISTIDA POR MICRO-ONDAS: otimização do tempo e escalonamento rio de janeiro 2025. 2025. 112 f. Dissertação (Mestrado em Química) - Instituto de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2025.
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