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MOFs opolímeroshíbridos ultra-porososcomo materiales adsorbentes: síntesis y aplicaciones.

En este artículo, Thais Grancha Marco, Investigadora de Tecnología Química en AIMPLAS, comparte un panorama sobre los MOFs, sólidos ultra-porosos híbridos compuestos por iones metálicos (zinc, titanio, etc.) ensamblados a través de moléculas orgánicas.

El campo de la nanotecnología, y más concretamente de los nanomateriales, crece de manera exponencial. Entre estos materiales, ocupan un lugar relevante la familia de nanomateriales porosos. Estos materiales tienen en común que son poco densos y presentan una gran área superficial, de manera que ocupando un pequeño espacio presentan una alta disponibilidad de los grupos químicos que llevan a cabo la funcionalidad o aplicación para la cual han sido diseñados.

Las redes metal-orgánicas, o MOFs por su acrónimo en inglés (Metal-OrganicFrameworks) se engloban dentro de los nanomateriales porosos. Estos constituyen una nueva clase de materiales poliméricos basados en el ensamblaje de iones metálicos a través de bloques moleculares orgánicos mediante enlaces de coordinación (Figura 1). Estos materiales se caracterizan por presentar una alta cristalinidad y porosidad, áreas elevadas y una baja densidad.

Figura 1.Esquema mostrando la formación de un MOF a partir de sus unidades estructurales y algunos ejemplos de clústeres metálicos y ligandos orgánicos empleados para la síntesis de MOFs. (Imagen modificada de la Ref. 3).

 

¿CÓMO SE OBTIENE UN MOF?

Los MOFs están compuestos por la combinación de iones metálicos y moléculas orgánicas que actúan como puente, más conocidas como ligandos. Existen diversas estrategias para preparar MOFs en las que, a grandes rasgos, se mezclan sales de iones metálicos con ligandos bajo diferentes condiciones y, normalmente, se aplica una fuente de energía que favorece la formación de los enlaces y,por consiguiente, de la red cristalina. Tradicionalmente los MOFs se han sintetizado en disolución, en condiciones solvotermales, donde sales metálicas y ligandos reaccionan en presencia de disolventes, a una temperatura y/o presión determinadas. Más recientemente se han investigado alternativas como las síntesis mediadas por microondaso ultrasonidos. Sin embargo, estas técnicas no han sido las más adecuadas para adaptar la producción de MOFs a escala industrial.[[I]]

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En parte, uno de los grandes requisitos para que los MOFs se apliquen en nuestro día a día es que se puedan producir a gran escala de manera económica y con bajo impacto medioambiental (evitando el uso de disolventes tóxicos, favoreciendo condiciones de síntesis suaves, disminuyendo la producción de residuos, etc.). Es por ello que en los últimos años se han desarrollado y optimizadométodos alternativos que pueden ser trasladados a la industria como la síntesis electroquímica, la síntesis por mecano-química y mucho más recientemente, la técnica de secado por atomización (en inglés spray-drying).[[II]]

Figura 2.a) Síntesis electroquímica de MOF. Esquema de una celda de disolución anódica y la formación de MOF en el ánodo.(b) Imagen de SEM del MOF HKUST-1 depositado en un electrodoy (c) en una malla de cobre.d) Imagen de un atomizador (spray-dryer) para la síntesis del MOF HKUST-1. e) Esquema de la formación de MOF en el atomizador.(Imagen modificada de la Ref. 2).

En la síntesis por electroquímica (Figura 2a-c), la peculiaridad reside en la fuente de iones metálicos. En este caso proceden del propio electrodo que está sumergido en una disolución conteniendo el ligando. Una vez aplicados el voltaje y la corriente correspondientes, comienza a oxidarse este electrodo (generalmente de cobre) liberando cationes que reaccionan con el ligando presente en la disolución y se van formando partículas de MOF, que se van colocando de forma ordenada próximas a la superficie del electrodo, y de esta forma tan original se forman monocapas de MOF que encuentran aplicación en el campo de las baterías.

En la síntesis por mecano-química, las materias primas se alimentan en un extrusora que aplica temperatura y compresión mecánica gracias a la acción de los husillos de extrusión. La ventaja de este método, aparte de producir MOF en serie, es que puede desarrollarse sin necesidad de emplear disolventes, ya que el propio sistema favorece el estrecho contacto entre los componentes para que éstos reaccionen. Todo ello convierte la síntesis de MOF por extrusión reactiva en una alternativa económica y sostenible.

La síntesis de MOF mediantesecado por atomización se ha desarrollado muy recientemente. Esta metodología, que ya venía usándose para otras aplicaciones como la encapsulación de sustancias activas, se ha trasladado recientemente a la obtención de MOFs.En este proceso, se prepara una disolución conteniendo metales y ligandos que se precalienta y se inyecta posteriormente atomizada dentro de una cámara. Las pequeñas gotas actúan como reactores individuales donde se da la reacción de formación del MOF. Por último, se aplica calor que evapora el disolvente de la gota, favoreciendo así la obtención del MOF como partículas cristalinas (Figura 2d y e). Esta técnica permite recuperar el disolvente y producir en serie,resultando muy prometedora para procesos industriales.

¿SE PUEDE USAR UN MOF DIRECTAMENTE? PROCESADO

Normalmente los MOFs se obtienen directamente de su síntesis en forma de polvo. Sin embargo, para su aplicación práctica, los materiales en polvo presentan inconvenientestales como dificultad en la manipulación, malatasa de transferencia de masa/calor, caída de presión cuando se compactan, poca estabilidad mecánica, etc.Por ello, necesitan ser procesados o bien solos o junto con otros materiales para fabricar dispositivos/productosque puedan serintroducidos en el mercado. Por ejemplo, para que un MOF capture contaminantes, se requiere que tenga forma de un filtro o membrana.O para que un MOF forme una capa antibacteriana se requiere formular un recubrimiento o una pomada (ámbito farmacéutico). Este es un paso crítico, ya que el conformado y procesado en ocasiones afecta al funcionamiento y capacidad del material.

Basados en experiencia previa con otros materiales porosos como las zeolitas, los MOFs ya han sido procesados en forma de gránulos, extruidos, esferas, perlas, panales, espumas, monolitos, etc.Los productos conformados de algunos MOF conocidos (HKUST-1, ZIF-8, MOF-5, MIL-101 y MOF-177) ya han sido comercializados por empresas químicas de todo el mundo, como BASF, Decco y NuMat Technologies.[[iii]]

Figura 3. Diferentes formas en las que se pueden conformar los MOFs.  Imágenes de la web de MOF Technologies (https://www.moftechnologies.com/)

Para obtener esferas o pellets compactos de MOF mediante procesos como granulado y extrusión o incluso figuras y piezas por impresión 3D, el MOF en polvo se puede combinar con aditivos (aglutinantes y plastificantes),como por ejemplo poli(formal de vinilo), alginato de calcio,sílice, caolín o celulosa, en presencia o no de disolventes auxiliares. Estos aditivos puedenmejorar las propiedades mecánicas de los gránulos resultantes sin perjudicar excesivamente las propiedades de los MOFs.[[iv]]

APLICACIONES DE LOS MOFs

Los materiales porosos tienen una gran importancia porque los poros y cavidades que poseen en sus estructuras permiten la difusión de distintos tipos de moléculas a su través. Históricamente, los materiales porosos inorgánicos como arcillas, zeolitas y silicatos mesoporosos han recibido gran atención y han encontrado numerosas aplicaciones en diversas áreas como el almacenamiento y separación de gases, intercambio iónico o catálisis, entre otras.

Tal como se ha descrito anteriormente, los MOFs son materiales altamente porosos.De hecho, se han reportado valores de área específica que alcanzan los 8000 m2/g y actualmente superan la porosidad de las zeolitas y el carbón activo. Lo que diferencia a los MOFs de los materiales porosos mencionados, y una de las razonespor la que resultan materiales con gran potencial, es su enorme versatilidad. Los MOFs se pueden diseñar y sintetizar empleando una gran variedad de iones metálicos y moléculas orgánicas. Estas combinaciones permiten diseñar su composición química y la topología de la red y, por tanto, el tamaño y la funcionalidad química de los poros.  Además, la estructura porosa y estable de los MOFs permite que estos puedan ser modificados una vez ya sintetizados, lo que se conoce como funcionalización post-sintética. Es por ello que los MOFsresultan potenciales, o ya encuentran aplicación, en sectores tan diversos como la remediación medioambiental,industria química, biomedicina, energía, envases y agricultura o automoción,entre otros.

REMEDIACIÓN MEDIOAMBIENTAL

Los MOFshan demostrado ser excelentes materiales adsorbentes y su capacidad de adsorción es selectiva gracias a su composición química rica en metales y moléculas orgánicas. Estas características convierten a los MOFs en buenos candidatos para afrontar retos medioambientales actuales como por ejemplo: el tratamiento de aguas contaminadas, la purificación y deshumidificación del aire o la detección de contaminantes.

La familia deMOFs de tipo UiO-66 ofrece muy buenos resultados en la purificación de aguas contaminadas. Son una familia de MOFs estables en agua que están formados por cationes zirconio(IV)y ligandos orgánicos funcionalizados. Precisamente, es esta versatilidad en su composición lo que permite modular su capacidad y selectividad a la hora de adsorber contaminantes de tipo metales pesados. Por ejemplo, un gramo de MOF UiO-66 sin modificar es capaz de retirar86 y 303 mg de Cr(VI) y As(V), respectivamente.Cuando este MOF se modifica químicamente para contener grupos de tipotiourea en su estructura, el MOF también es capaz de capturar otros metales pesados como: Hg(II) (769 mg/gMOF), Pb(II) (232 mg/gMOF), Cr(III) (117 mg/gMOF) y Cd(II) (49 mg/gMOF).[[v],[vi],[vii]]

Los MOFs también se usan en combinación con otros materiales, como por ejemplo las nanopartículas (NPs) inorgánicas, que también presentan propiedades de adsorción selectiva de contaminantes. De esta manera, se obtienen dos ventajas: por un lado, los MOFs actúan como un soporte para dar estabilidad a las NPs que de otra forma acabarían agregándose y perdiendo su funcionalidad, y por otro lado se obtienen sistemas híbridos que cubren un alto espectro de captura de contaminantes, actuando sinérgicamente. En un estudio se evaluó la capacidad para capturar metales pesados de microesferas de un material compuesto por MOF UiO-66 funcionalizado con grupos tioles yNPs de óxido de cerio. Se evaluaron muestras de tres ríos de Asia altamente contaminados, contiendo metales pesados en concentraciones que superaban los límites establecidos por la OMS. Para ello, se hizo fluir agua de los ríos en continuo a través de una columna empaquetada con las microesferas. En las tres muestrasse consiguió eliminar el 99% de los iones Cd(II), Cu(II), As(III) y Pb(II), el 90% de los iones Cr(III) y el 86% de los iones As(V). Resulta de especial interés que estos materiales pueden regenerarse fácilmente haciendo pasar a su través disoluciones acuosas ligeramente ácidas (pH=5), recuperando así su poder de adsorción. Además, en el estudio se demostró que pueden serfuncionalizados con NPsmagnéticas para ser retirados de las aguas de forma magnética.[[viii]]

La emisión de gases (sustancias tóxicas o de efecto invernadero) a la atmósfera también representa un problema que afecta al medioambiente y a la salud de las personas. Surge pues la necesidad de mitigar la concentración de ciertos gases, como por ejemplo, el amoniaco, un gas de efecto invernadero que es precursor de la formación de óxido nitroso (N2O) en la atmósfera. Este gas se ha detectado en elevadas concentraciones en zonas industriales que lo emiten como subproducto. Las típicas soluciones adsorbentes muestran poca selectividad hacia el amoniaco. En este sentido, los MOFs ofrecen una solución interesante, gracias a su capacidad y velocidad de adsorción.Además, gracias a la presencia de iones metálicos, pueden presentar elevada selectividad hacia el amoniaco.Otras características que debe presentar el MOF son la estabilidad en agua (humedad ambiental), la estabilidad química (el amoniaco es corrosivo) y por supuesto, que se pueda regenerar. Investigadores del MIT en Massachussets han reportado una familia deMOFs (M2Cl2BBTA) que muestran una capacidad de adsorción de amoniaco en presencia de humedad que supera a la de zeolitas y carbón activo.[[ix],[x]]

Los MOFs también aportan soluciones para la obtención de sistemas de almacenamiento de agua incluso retirando agua de atmósferas de muy baja humedad relativa, como las propias de países con mucha sequía. Se estima que el agua presente en la humedad ambiental representa un 10% del agua contenida en lagos. Sería interesante poder capturar esta agua y condensarla para su consumo, pero los adsorbentes actuales como sílices o zeolitas tienen baja capacidad de captura de agua o bien exigen caros procesos para desorberla. Recientemente se ha desarrollado un dispositivo basado en el MOF de aluminio (MOF-303) que adsorbe de manera efectiva agua en ambientes de baja humedad ambiental (proceso exotérmico que tiene lugar durante la noche) y la desorbe posteriormente (mediado por luz solar durante el día) recogiendo esta agua condensada. Este dispositivo ha sido testado en el desierto.[[xi]]

INDUSTRIA QUÍMICA

En el campo de la catálisis, los catalizadores homogéneos presentan gran versatilidad y ofrecen óptimos resultados.Sin embargo, su uso a escala industrial resulta menos práctico ya que es complicado separarlos del resto de especies en el medio de reacción. Los MOFs emergen como una nueva clase de catalizadores con gran potencial que, de manera inherente, combinan las ventajas de los catalizadores homogéneos (con una gran disponibilidad de centros activos y muy buena reactividad) y heterogéneos (con alta capacidad de reciclabilidad).

Resulta especialmente interesante el uso de MOFs y materiales compuestos para la captura de dióxido de carbono (CO2) y su posterior conversión en productos orgánicos de alto valor añadido. La composición química y la porosidad del MOF se puede diseñar de modo que presente mucha afinidad por el CO2(incluso en presencia de otros gases) y capacidad de adsorber grandes volúmenes. Esto sumado a su inherente capacidad catalítica, ha despertado un gran interés por parte de investigadores y de la industria. Algunas de las reacciones de conversión de CO2 catalizadas por MOFso por materiales combinados con MOFsque se han investigado incluyen la transformación de CO2 en productos orgánicos, su hidrogenación, su reducción fotocatalítica o su reducción electrocatalítica. Por ejemplo, la reducción fotocatalítica de CO2permite obtener compuestos como metanol, metano o ácido fórmico de forma sostenible a partir de luz solar (Figura 4).[[xii]]También, la reducción electrocatalítica de CO2 con MOFses otra manera sostenible y limpia de obtener hidrocarburos de valor añadido y de mitigar la emisión de CO2 en la atmósfera.

Figura 4.Esquema de un MOF mostrando la captura de dióxido de carbono en sus poros y algunas de las reacciones químicas que puede catalizar para transformarlo en otros compuestos como: monóxido de carbono, metanol con ayuda de nanopartículas, ácido fórmico o carbonato de etileno con ayuda de un líquido iónico. (Figura modificada de la Ref. 11).

Otro problema de la industria química en el que los MOFs puede jugar un papel relevante es la separación de gases y de otras especies químicas. La posibilidad de modificar su poro, tanto en términos de tamaño como de funcionalidad química, los convierte en versátiles tamices capaces de discriminar de manera eficiente las moléculas por tamaño y/o por estructura química(Figura 5). Los MOFs han demostrado capacidad para separar con altos porcentajes de éxito mezclas de gases similares de bajo peso molecular (CO/CO2, CO2/N2, CO2/CH4, etc.), mezclas de hidrocarburos (metano/etano, propano/butano, etano/etileno, etc.),[[xiii]]mezclas de enantiómeros, mezclas de compuestos alifáticos y aromáticos (benceno/ciclohexano) o incluso mezclas de isótopos (hidrógeno/deuterio), [[xiv]]entre otras.

Figura 5.Esquema mostrando las tecnologías de separación con MOFs (empaquetados en columnas o en forma de membranas) y algunas de las mezclas que son capaces de separar y mediante qué mecanismos.(Figura modificada de la Ref. 13).
Figura 5.Esquema mostrando las tecnologías de separación con MOFs (empaquetados en columnas o en forma de membranas) y algunas de las mezclas que son capaces de separar y mediante qué mecanismos.(Figura modificada de la Ref. 13).

BIOMEDICINA

Los MOFs se encuentran entre las clases de materiales más prometedoras para bioaplicaciones reportadas en las últimas dos décadas. Algunos son biodegradables y biocompatibles, con una estructura y composición que se pueden ajustar fácilmente para optimizar la encapsulación de fármacos,gasotransmisores o activos antimicrobianos y su posterior liberación, o para ser empleados en imagen y diagnóstico, como sensores o en ingeniería de tejidos. Suaplicación en biomedicinase halla en fase preclínica ya que todavía presenta limitaciones y se necesitan más estudios centrados en sutoxicidad y biodistribución o en formulaciones de «calidad farmacéutica».[[xv]]

Dado su gran potencial como portadores de fármacos, yahan sido utilizados en estudios preclínicos para mejorar el tratamiento de numerosas enfermedades que todavía son desafíos en la sociedad moderna, como terapia tumoral o diabetes.Por ejemplo, para administración intracelular y tratamiento del cáncer, medicamentos como la doxorrubicina y el cisplatinose han integrado en MOFs. También se han encapsulado fotosensibilizadores y se han utilizado en terapiafototérmica. Ciertas clases de proteínas, como por ejemplo la ribonucleasa (RNase A) se utilizan para impedir la proliferación de células cancerígenas. Sin embargo, su aplicación clínica está poco desarrollada ya que en su forma libre pueden perder la actividad enzimática o bien el sistema inmune las elimina rápidamente. En un estudio, se encapsuló RNase A en el MOF ZIF-8. Tras su liberación controlada, estas partículas atravesaron la membrana de células cancerígenas e indujeron la apoptosis celular. El estudio demuestra que la eficacia del tratamiento con RNase A aumenta cuando ésta se encapsula en el MOF.[[xvi]]

Los MOF también son candidatos prometedores para diseñar nuevos sensores fluorescentes o luminiscentes. Los ligandos orgánicos aromáticos o conjugadospueden emitir luz fluorescente tras la irradiación, mientras que los cationes metálicos (lantánidos, metales de transición, etc.) también pueden contribuir a la fotoluminiscencia. Los estudios recientes se han centrado principalmente en el desarrollo de MOFspara imagenpor resonancia magnética o como agentes de contraste para tomografía computarizada, aunque estas propiedades pueden ser implementadas en aplicaciones muy diversas fuera también del ámbito de la medicina.

ENERGÍA

El consumo de energía crece de manera exponencial, siendo la fósil la fuente primaria. Sin embargo, las fuentes no-renovables van disminuyendo y surge la necesidad de explotar alternativas. La energía que ofrece el gas hidrógeno (140 MJ kg-1) es mucho más significativa que la que ofrecen otras fuentes como el carbón, metano o gas natural y se contempla comouna fuente de energía viable en el futuro próximo y con bajo impacto medioambiental.[[xvii]]

Uno de los principales inconvenientes del uso de hidrógeno como fuente de energía es su almacenamiento. Actualmente se emplean técnicas como la criocompresióno la licuefacción, que ofrecen poca capacidad volumétrica y requieren infraestructuras costosas. Es por esto que los MOFs, con gran capacidad para fisisorber hidrógeno, se presentan como una alternativa viable.[[xviii]]Además, los MOFs se pueden emplear como membranas de intercambio protónico para convertir el hidrógeno almacenado en electricidad o como electrodos para celdas de combustión.[[xix]]Algunos estudios han demostrado que los MOFs como adsorbentes ofrecen mayor beneficio que la simple compresión de hidrógeno puro.A 100 bar y 100°C, la capacidad para almacenar hidrógeno del MOF Ni2(m-dobdc) es un 121% mayor que la compresión de hidrógeno puro. Esta superioridad todavía aumenta al disminuir la temperatura, alcanzando un 155% a 25°C y un 209% a -75°C.[17]

ENVASES FUNCIONALES Y AGRICULTURA

Los nanomateriales juegan un papel para mejorar las propiedades fisicoquímicas de los materiales para envases. Algunos MOFs han demostrado tener una buena biocompatibilidad y baja toxicidad como para ser incorporados en envases para alimentos. Por tanto,combinados con las matrices adecuadas, dan lugar a envases funcionales con propiedades de sensores,marcadores,antimicrobianos[[xx]]o adsorbentes de contaminantes, entre otras.Además, pueden mejorar las propiedades barrerafrente a agua y oxígeno.[[xxi]]Para su aplicación, es importante asegurar la no migración de los nanomateriales del envase a los alimentos.

Como se menciona anteriormente, los MOFspueden ser diseñados para presentar capacidadbactericida intrínseca y, además, dada su condición de adsorbentes, pueden encapsular sustancias con propiedades antimicrobianas, dando lugar a un material con diferentes mecanismos de acción actuando sinérgicamente. Esta propiedad puede explotarse en el ámbito de la biomedicina pero también en el de envases funcionales.Para demostrar la capacidad intrínseca del MOF ZIF-8 como agente bactericida se preparó un material compuesto a partir de quitosano cargado con un 8% de ZIF-8. El material demostró un 100% de capacidad antibacteriana contra EscherichiacoliyStaphylococcusaureu.[[xxii]]

El control de la maduración de las frutas y verduras especialmente durante su transporte y almacenaje es crítico. El etileno se conoce por ser un buen regulador de la maduración, sin embargo, por normativa, no se puede aplicar directamente sobre los alimentos.Los MOFs, son capaces de adsorber etileno en sus poros y liberarlo de manera controlada. En un estudio se empleó el MOF de alta porosidad CuTPA para controlar la maduración de aguacates y bananas.[[xxiii]]Se estableció que 50 g de MOF cargado con etileno son capaces de liberar 654 μL de etileno por litro. Las bananas almacenadas en contenedores en presencia de MOF mostraron una disminución en la firmeza del 39.8% en 2 días, mientras que los aguacates mostraron una disminución de la firmeza de 65.0% en 6 días. Estos estudios demuestran que es posible conseguir un buen nivel de control de la maduración de frutas y verduras gracias al uso de MOFs como adsorbentes de etileno.

El efecto contrario sucede cuando en el interior de los envases existen moléculas que aceleran la degradación de los alimentos, como el agua o el oxígeno. Los MOFs también juegan un papel vital en el correcto mantenimiento de la calidad de los alimentos debido a su capacidad adsorbente para eliminar dichos gases del espacio superior de los envases.

AUTOMOCIÓN

Los MOFs pueden formar parte de los vehículos llevando a cabo diferentes funciones. Por un lado, como se ha comentado más arriba en el texto, estosmuestran un gran potencial como adsorbentes para hacer posible las celdas de hidrógeno. De hecho, importantes empresas comoToyota, ya están involucradas junto a investigadores de la Universidad en la optimización de MOFs para este propósito.[[xxiv]]

Los MOFs también juegan un importante papel en las baterías.En especial, las baterías de litio cada vez están más presentes en los coches eléctricos e híbridos ya que presentan mayores ciclos de vida, mayor densidad energética y resultan menos contaminantes.De entre los componentes de la batería, los MOFsy sus derivados se consideran materiales óptimos para preparar los electrodos.[[xxv]]

Con el fin de mejorar la calidad del aire que respiramos y el consecuente efecto positivo tanto en la salud de las personas como en el medio ambiente, la legislación es cada vez más estricta respecto a las emisiones de gases por parte de vehículos propulsados con gasolina y diésel. Pese a que actualmente los vehículos incorporan tecnología de control de emisiones de gases (catalizadores, filtros…) resulta necesaria la implantación de sistemas cada vez más complejos para detectar y controlar la producción y emisión de estos gases.Así mismo, monitorizar la formación y concentración de estos gases en el motor también aporta información acerca del funcionamiento del mismo.Se necesitan pues, sensores que puedan ser fabricados a coste competitivo, que sean versátiles y muestren una elevada selectividad y sensibilidad hacia los analitos a detectar, que sean ligeros y puedan implementarse en los vehículos. Como se ha mencionado anteriormente, los MOFs son capaces de capturar gases de manera selectiva en sus poros. A su vez, la presencia de estos gases (incluso en muy pequeñas cantidades) modifica alguna propiedad presente en el MOF (luminiscencia, magnetismo, conductividad eléctrica) que es cuantificable y, por tanto,se usa para determinar la presencia y la concentración del gas.Los MOFs han sido testados como sensores de las moléculas de interés presentes en las emisiones como son: vapor de agua, oxígeno, óxidos nitrosos, monóxido y dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, dióxido de azufre, amoníaco, hidrógeno y compuestos orgánicos volátiles, ofreciendo resultados muy favorables.[[xxvi]]

Por último, los MOFs también pueden incorporarse en los materiales plásticos empleados en la construcción de vehículos para actuar como antimicrobianos(filtros, superficies) o retardantes a la llama,[[xxvii]]entre otros.

¿DÓNDE SE PUEDEN COMPRAR MOFs?

En vista de tan interesantes aplicaciones, ya son bastantes las empresas que han surgido para sintetizar, procesar y comercializarMOFs en todo el mundo. Algunas de ellas son: MOFs Technologies (Belfast, Reino Unido), WaterHarvesting Inc. (Berkeley, Estados Unidos), PorousLiquid Technologies (Belfast, Reino Unido), Immaterial (Cambridge, Reino Unido), NovoMOF(Zofingen, Suiza), Energy X (Austin, Estados Unidos), ProMOF (Oslo, Noruega), Cd-bioparticles (Shirley, Estados Unidos), NuMat Technologies (Skokie, Estados Unidos). Por otro lado, importantes industrias químicas como BASF ya incluyen los MOFs en su catálogo de productos.

Por nuestra parte, en AIMPLAS apostamos por los MOFs y por ello trabajamos en la síntesis de los mismos, al mismo tiempo que somos capaces de adaptarlos e implementarlos para todas aquellas aplicaciones en las que su empleopuede dar una solución, que tal como se puede concluir de este documento, son muy diversas. Por ejemplo,en el proyecto IGNITION [[xxviii]]se han empleadoMOFs comerciales y algunos desarrollados en el proyecto para encapsular aditivos retardantes de llama naturales con el fin de evitar su degradación térmica para poder soportar las condiciones de procesado. Otro ejemplo es el proyecto DOTMASK [[xxix]], donde se van a incorporar partículas del MOF ZIF-8 en formulaciones para recubrimientos con carácter antimicrobiano que serán aplicados en mascarillas. Por otro lado, en el proyecto GRAMOFON [[xxx]]se desarrolló un innovador proceso de captura de CO2 basado en nuevos nanomateriales, entre ellos los MOFs, y su desorción empleando energía microondas, lo que permiteluchar contra el cambio climático a un coste inferior al que tienen estas tecnologías actualmente.

CONCLUSIÓN

Los MOFs han experimentado un crecimiento exponencial desde que se descubrieron hace dos décadas. No solo aumenta considerablemente el número de publicaciones científicas sino también el número de patentes, lo que es un claro indicador de que este material ya ha dado el salto desde academia a su aplicación práctica. Su alta porosidad, y por tanto baja densidad, junto a su gran versatilidad química, hacen posible que los MOFs puedan ser diseñados para ser funcionales en un amplio rango de aplicaciones, y en última instancia van a jugar un papel relevante en la transición hacia energías más limpias, en la resolución de problemas medioambientales o en tecnologías biomédicas emergentes, entre otras. Los recientes desarrollos en metodología sintética han hecho posible que este material se pueda obtener a escala industrial, de forma sostenible y a bajo coste. Esto último, sumado a los desarrollos en su procesado, ha sido clave para que los MOFsya se estén aplicando en tecnologías de nuestro día a día, desde adsorbentes para descontaminación y almacenaje, como electrodos en baterías, catalizadores o para fabricar envases funcionales.

Aun así, todavía son pocas las estructuras de MOF que se están comercializando, siendo su dificultad sintética la principal barrera, por lo que aun queda por delante mucha investigación para producir más oferta de MOFs a precios competitivos y que las industrias puedan incluirlos para cubrir sus necesidades.

Autora: Thais Grancha Marco

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[xx]Zhao, Jiayi; Wei, Feng; Xu, Weili; Han, Xiaojun. “Enhanced antibacterial performance of gelatin/chitosan film containing capsaicin loaded MOFs for food packaging”. Applied Surface Science, 2020, 510, 30, 145418.

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[xxiv]Giappa, Rafaela Maria; Tylianakis, Emmanuel; Di Gennaro, Marco; Gkagkas, Konstantinos; Froudakis, George E. “A combination of multi-scale calculations with machine learning for investigating hydrogen storage in metal organic frameworks”. International Journal of Hydrogen Energy. 2021, 46, 27612-27621.

[xxv]Zhu, Ji Ping; Wang,Xiu Hao; Zuo,Xiu Xiu. “The application of metal-organic frameworks in electrode materials for lithium– ion and lithium–sulfur batteries”. R. Soc. open sci. 2019, 6, 190634.

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[xxvii]Pan,Ye-Tang; Zhang,Zhida; Yang, Rongjie. “The rise of MOFs and their derivatives for flame retardant polymeric materials: A critical review”. Composites Part B: Engineering. 2020, 199, 108265.

[xxviii]IGNITION: Desarrollo de nuevos materiales plásticos ignífugos y nueva metodología para la determinación del comportamiento frente al fuego y la posterior clasificación de estos materiales en el ámbito.El proyecto IGNITION ha recibido financiación deInstitut Valencià de Competitivitat Empresarial delPrograma IMDEEA-PROYECTOS DE I+D EN COOPERACIÓN CON EMPRESAS

[xxix]DOTMASK: Estudio para el desarrollo de Equipos de Protección Individual mejorados con capacidades antimicrobianas. El proyecto DOTMASK ha recibido financiación de la Agencia Valenciana de la Innovación dentro del programa de financiación de Proyectos Estratégicos en Colaboración de la convocatoria 2021

[xxx]GRAMOFON:New process for efficient CO2 capture by innovative adsorbents based on modified graphene aerogels and MOF materials. El proyecto GRAMOFON ha recibido financiación del Programa Marco de Investigación, Desarrollo e Innovación Horizon 2020 de la Unión Europea con el número de subvención 727619

 

 

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