Sensitivity and selectivity remain the central technical requirement for analytical devices, detectors and sensors. Especially in the gas phase, concentrations of threat substances can be very low (e.g. explosives) or have severe effects on health even at low concentrations (e.g. benzene) while it contains many potential interferents. Preconcentration, facilitated by active or passive sampling of air by an adsorbent, followed by thermal desorption, results in these substances being released in a smaller volume, effectively increasing their concentration.
Traditionally, a wide range of adsorbents, such as active carbons or porous polymers, are used for preconcentration. However, many adsorbents either show chemical reactions due to active surfaces, serious water retention or high background emission due to thermal instability. Metal-organic frameworks (MOFs) are a hybrid substance class, composed inorganic and organic building blocks, being a special case of coordination polymers containing pores. They can be tailored for specific applications such as gas storage, separation, catalysis, sensors or drug delivery.
This thesis is focused on investigating MOFs for their use in thermal preconcentration for airborne detection systems. A pre-screening method for MOF-adsorbate interactions was developed and applied, namely inverse gas chromatography (iGC). Using this pulse chromatographic method, the interaction of MOFs and molecules from the class of explosives and volatile organic compounds was studied at different temperatures and compared to thermal desorption results.
In the first part, it is shown that archetype MOFs (HKUST-1, MIL-53 and Fe-BTC) outperformed the state-of-the-art polymeric adsorbent Tenax® TA in nitromethane preconcentration for a 1000 (later 1) ppm nitromethane source. For HKUST-1, a factor of more than 2000 per g of adsorbent was achieved, about 100 times higher than for Tenax. Thereby, a nitromethane concentration of 1 ppb could be increased to 2 ppm. High enrichment is addressed to the specific interaction of the nitro group as by iGC, which was determined by comparing nitromethane’s free enthalpy of adsorption with the respective saturated alkane. Also, HKUST-1 shows a similar mode of sorption (enthalpy-entropy compensation) for nitro and saturated alkanes.
In the second part, benzene of 1 ppm of concentration was enriched with a similar setup, using 2nd generation MOFs, primarily UiO-66 and UiO-67, under dry and humid (50 %rH) conditions using constant sampling times. Not any MOF within the study did surpass the polymeric Tenax in benzene preconcentration. This is most certainly due to low sampling times – while Tenax may be highly saturated after 600 s, MOFs are not. For regular UiO-66, four differently synthesized samples showed a strongly varying behavior for dry and humid enrichment which cannot be completely explained. iGC investigations with regular alkanes and BTEX compounds revealed that confinement factors and dispersive surface energy were different for all UiO-66 samples. Using physicochemical parameters from iGC, no unified hypothesis explaining all variances could be developed.
Altogether, it was shown that MOFs can replace or add to state-of-the-art adsorbents for the enrichment of specific analytes with preconcentration being a universal sensitivity-boosting concept for detectors and sensors. Especially with iGC as a powerful screening tool, most suitable MOFs for the respective target analyte can be evaluated. iGC can be used for determining “single point” retention volumes, which translate into partition coefficients for a specific MOF × analyte × temperature combination. / Empfindlichkeit und Selektivität bleiben die zentralen technischen Anforderungen an analytische Geräte, Detektoren und Sensoren. Speziell in der Gasphase können die Konzentrationen von Gefahrstoffen sehr niedrig sein (z. B. Explosivstoffe) oder bereits bei niedrigen Konzentrationen schädigende Auswirkungen auf die Gesundheit aufweisen (z. B. Benzol) während sie viele potenzielle Interferenzien enthält. Präkonzentration, die durch aktives oder passives Sampling von Luft durch ein Adsorbens, gefolgt von einer Thermodesorption realisiert wird, setzt diese Substanzen effektiv in einem kleineren Volumen frei, was zu einer Erhöhung der Konzentration führt.
Üblicherweise wird hierfür eine breite Auswahl an Adsorbentien wie Aktivkohlen oder poröse Polymere verwendet. Jedoch weisen viele Adsorbentien entweder chemische Reaktionen wegen aktiver Oberflächen, starke Wasserretention oder hohe Hintergrundemission wegen thermischer Instabilität auf. Metal-organic frameworks (MOFs) sind eine hybride Substanzklasse, ein Spezialfall der porösen Koordinationspolymere, die aus anorganischen und organischen Baugruppen aufgebaut sind. Sie können für spezifische Anwendungen wie Gasspeicherung, Trennung, Katalyse, Sensorik oder Wirkstofftransport maßgeschneidert werden.
Diese Arbeit befasst sich hauptsächlich mit der Untersuchung von MOFs bei der thermischen Anreicherung für luftgetragene Detektionssysteme. Eine Methode zur schnellen Untersuchung von MOF-Analyt Interaktionen wurde entwickelt und angewendet, die inverse Gaschromatographie (iGC). Mit dieser pulschromatographischen Methode wurde die Interaktion von MOFs und Molekülen aus der Klasse der Explosivstoffe sowie Klasse der flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) in der Gasphase bei verschiedenen Temperaturen untersucht und mit Thermodesorptionsmessungen verglichen.
Im ersten Teil der Arbeit würde gezeigt das Modell-MOFs (HKUST-1, MIL-53 und Fe-BTC) den polymeren Standard Tenax® TA beim Anreichern von Nitromethan an einer 1000 (später 1) ppm Nitromethan Quelle übertrafen. Im Fall von HKUST-1 konnte ein Faktor von 2000 pro Gramm erreicht werden, etwa 100-fach höher als für Tenax. Auf diese Weise könnte eine Nitromethan Konzentration von 1 ppb auf 2 ppm erhöht werden. Diese hohen Anreicherungsfaktoren entstammen vermutlich der hohen spezifischen Wechselwirkung der Nitrogruppe mit den MOFs. Diese wurden durch iGC beim Vergleich von Nitromethans freier Adsorptionsenthalpie mit dem entsprechenden gesättigten Alkan ermittelt. HKUST-1 weist auch einen ähnlichen Adsorptionsmodus (Enthalpie-Entropie Kompensation) für Nitro- und gesättigte Alkane auf.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde die Anreicherung von 1 ppm Benzol, mit einem ähnlichen Aufbau und anderen MOFs, hauptsächlich UiO-66 und UiO-67, unter trockenen und feuchten (50 %rF) Bedingungen bei konstanten Samplingzeiten, untersucht. Hierbei konnte kein MOF das polymere Tenax beim Anreichern von Benzol übertreffen. Dies liegt vermutlich an den niedrigen Samplingzeiten – während Tenax nach 600 s bereits stark gesättigt ist, gilt dies nicht für MOFs. Im Fall von UiO-66 zeigten vier Proben unterschiedlicher Herkunft ein stark unterschiedliches Verhalten bei trockener und feuchter Anreicherung welches nicht vollständig erklärt werden kann. iGC Untersuchungen mit gesättigten Alkanen und BTEX-Verbindungen konnten aufzeigen, dass räumliche Beschränktheitsfaktoren und dispersive Oberflächenenergien für alle vier Proben unterschiedlich waren. Mit physikochemischen Parametern aus iGC-Messungen konnte jedoch keine einheitliche Hypothese zum Unterscheiden der Proben entwickelt werden.
Insgesamt konnte gezeigt werden, dass MOFs bestehende Adsorbens-Standards zum Anreichern von bestimmten Analyten ersetzen oder erweitern können, wobei Präkonzentration ein Konzept ist, welches universell die Empfindlichkeit eines Detektors oder Sensors steigern kann. Insbesondere mit iGC als mächtiges Werkzeug zur Vorselektion können passende MOFs für die entsprechenden Zielanalyten evaluiert werden. Ebenso kann iGC auch zur Bestimmung von Einzelpunkt Retentionsvolumen, welche Verteilungskoeffizienten für eine bestimmte MOF × Analyt × Temperatur Kombination entsprechen, genutzt werden.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:17775 |
| Date | January 2019 |
| Creators | Rieger, Max |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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