Modulación de la banda prohibida y de la termoestabilidad en los materiales HKUST-1 y MOF-74 a través de la infiltración de moléculas orgánicas en los poros y sitios metálicos de los materiales

Abstract

Esta investigación se centra en el estudio de la infiltración molecular en polímeros de coordinación en redes metal-orgánicas (Metal-Organic Frameworks, MOFs) del tipo HKUST-1 y MOF-74(Cu). A través de la interacción entre una matriz, que en este caso es la MOF, con una molécula huésped, para generar nuevos materiales compósitos de tipo huésped@MOF. Las moléculas huésped seleccionadas fueron: solventes residuales de la metodología de síntesis (agua/DMF), quercetina, curcumina, antraquinonas (quinizarina, antrarufina, alizarina) y ácido piren borónico. La infiltración de moléculas fue propuesta para ser realizada a través de dos vías: síntesis one-pot e infiltración post-síntesis. No obstante, dado la mayor eficiencia del proceso one-pot, este enfoque fue estudiado en mayor profundidad. Se determinó la banda prohibida de los compósitos mediante espectroscopía UV-Vis en estado sólido, empleando para ello los gráficos de Tauc. Dado que, en estudios preliminares de infiltración de quercetina, HKUST-1 presentó una mayor modulación de la banda prohibida, se decidió explorar la infiltración del resto de las moléculas propuestas únicamente en este material. Notablemente, muchos de estos compósitos presentaron una modulación de la banda prohibida superior a 2 eV, lo cual es sobresaliente incluso al comparar estos resultados con los generados dentro de la bibliografía más reciente. En conclusión, la estrategia propuesta de modulación de la banda prohibida fue desarrollada de manera exitosa, obteniéndose materiales sobresalientes entre los reportados en la bibliografía científica más reciente. Se profundizó en el desarrollo de correlaciones estructura-propiedad para explicar los resultados obtenidos, permitiendo el desarrollo de estrategias eficaces para la creación de materiales huésped@MOF con banda prohibida modulable. Además, se evaluaron los materiales en aplicaciones prácticas, aumentando la comprensión del comportamiento de sistemas tipo huésped@MOF, tanto sus beneficios, como retos a superar en futuros trabajos.

This research focused on the study of molecular infiltration in coordination polymers based on the metal-organic frameworks (MOFs), HKUST-1 and MOF-74(Cu). The approach consisted of generating new host@MOF composite materials through the interaction between the MOF matrix and guest molecules. The selected guest molecules were: residual solvents from the synthesis methodology (water/DMF), quercetin (Quer), curcumin (Cur), anthraquinones: quinizarin (Qnz), anthrarufin (Ant), alizarin (Alz), and pyrene boronic acid (Pyr). Molecular infiltration was carried out via two strategies: one-pot synthesis and post-synthetic infiltration. However, due to the higher efficiency of the one-pot process, this approach was studied in greater detail. The band gap of the composites was determined by solid-state UV-Vis spectroscopy using Tauc plots. Based on preliminary infiltration studies with quercetin, where HKUST-1 exhibited greater band gap modulation, it was decided to explore the infiltration of the remaining proposed molecules exclusively in this material. Remarkably, many of these composites showed band gap modulations exceeding 2 eV, which is outstanding even when compared to results reported in the most recent literature. In conclusion, the proposed strategy for band gap modulation was successfully implemented, yielding materials that stand out among those recently reported in the scientific literature. Structure-property relationships were thoroughly analyzed to explain the obtained results, enabling the development of effective strategies for creating húesped@MOF composites with tunable band gaps. Furthermore, the materials were tested in practical applications, contributing to a deeper understanding of the behavior of host@MOF-type systems, highlighting both their benefits and the challenges to be addressed in future research.