Synthesis and catalytic activity of ZIF-8 and doped-ZIF-8 crystals: stability and cytotoxicity evaluation - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2015

Synthesis and catalytic activity of ZIF-8 and doped-ZIF-8 crystals: stability and cytotoxicity evaluation

Synthèse et activité catalytique des cristaux ZIF-8 et ZIF-8 dopés : évaluation de leur stabilité et leur toxicité

Abstract

Metal organic frameworks (MOFs) have gained considerable attention as heterogeneous catalytic systems and also have been studied in the area of separation, gas storage, controlled release or as drug delivery systems. According to their complex structure formed by metal centers coordinated with polydentate linkers, MOFs expose abundance of Lewis and/or Brönsted acid-base sites that are crucial for the materials catalytic activity and selectivity towards specific reactions. Moreover, these materials have many other attractive properties, including a large surface area, a low density and a high porosity. In this work, we focused on the zeolithic imidazolate framework (ZIF-8) material – a MOF exhibiting high porosity and stability and which can also be used as a template for further functionalization and modification. Firstly, we focused on the preparation of ZIF-8 crystals and ZIF-8 heterostructures with properties adapted to the desired application, and then shaping of the catalyst to obtain the best form of material for industrial scale-up utilization. By varying Zn2+ precursors used for the synthesis, we demonstrated that the properties (size, porosity,…) of ZIF-8 crystals can be controlled and tuned depending on the applications. These ZIF-8 crystals were successfully applied as heterogeneous catalysts in Knoevenagel and Friedländer reactions. Next, we developed protocols for the synthesis of Cu2+-doped ZIF-8 crystals. The use of these crystals could be extended to Cu-mediated reactions, like the Combes condensation and the Huisgen cycloaddition. We evaluated recyclability and we showed that the nanomaterials could be reused up to ten times without any loss of catalytic activity. Moreover, we functionalized ZIF-8 crystals with magnetic Fe3O4 nanoparticles. The hybrid Fe3O4@ZIF-8 heterostructures could be easily recovered by magnetic separation after catalytic experiments. To show multiple benefits originating from the ZIF-8 structure and properties, we also used this material for the conversion of CO2 into cyclic carbonates using a Parr reactor. As the reaction could be scale-up at the industrial level, we shaped the powder in the form of pellets and use it under the same conditions. In the last chapter, we evaluated the toxicity and the stability in biological media of ZIF-8, Cu- and Fe-doped ZIF-8 particles using A549 alveolar cells, IHK skin cells as models and in vitro ingestion under fed conditions. These models were chosen according to the most probable first contact entering gates for nanoparticles inside human body, skin, lungs and digestive tract. Outcomes from these preliminary studies motivated us to conduct extended stability tests of the particles in different media. We showed that the particles are altered by pH changes and medium complexity
Depuis plusieurs années, les MOFs (Metal Organic Frameworks) suscitent une grande attention pour leurs applications potentielles en catalyse hétérogène. Ces matériaux sont également étudiés dans les domaines de la séparation, du stockage de gaz, de la libération contrôlée ou comme systèmes de vectorisation de médicaments. Leur structure complexe étant formée par des centres de coordination métalliques unis par des ligands polydentates, les MOFs disposent de nombreux sites acido-basiques de Lewis ou de Brönsted qui sont cruciaux pour l'activité des matériaux et la sélectivité des produits lors des réactions catalysées par les MOFs. Dans ce travail, nous nous sommes tout particulièrement intéressés à une classe de MOFs appelée « zéolithic imidazolate frameworks » (ZIF-8). Les ZIF-8 présentent de nombreuses propriétés intéressantes, notamment une grande surface spécifique, une faible densité, une forte porosité ainsi qu’une excellente stabilité chimique et thermique. Dans une première partie, la préparation de matériaux ZIF-8 et d’hétérostructures à base ZIF-8 a été développée afin de conférer à ces matériaux des propriétés adaptées à l'application souhaitée. La mise en forme de ces catalyseurs a également été étudiée afin d’obtenir la forme optimale pour une utilisation industrielle de ces matériaux. En variant le précurseur d’ions Zn2+ utilisé pour la synthèse, nous avons démontré que les propriétés (taille, porosité, ...) de ZIF-8 cristaux pouvaient être contrôlées en fonction de l’application catalytique recherchée. Ces ZIF-8 cristaux ont été utilisés avec succès en tant que catalyseurs hétérogènes dans les réactions de Knoevenagel et Friedländer. Nous avons développé de nouveaux matériaux ZIF-8 dopés par des ions Cu2+. Les particules Cu/ZIF-8 se sont montrés être des catalyseurs efficaces dans la réaction de Combes et la cycloaddition de Huisgen. La recyclabilité du matériau a été évaluée et il a notamment été montré que les particules ZIF-8 pouvaient être réutilisées jusqu'à dix fois sans perte d'activité catalytique. Nous avons également fonctionnalisé les cristaux ZIF-8 avec des particules magnétiques Fe3O4. L’hétérostructure hybride Fe3O4@ZIF-8 peut facilement être récupérée par séparation magnétique après les expériences de catalyse. Afin d’étendre le champ d’application des catalyseurs ZIF-8, le matériau a également utilisé pour la conversion du dioxyde de carbone en carbonates cycliques en utilisant un réacteur du Parr. Comme la réaction est d’un grand intérêt industriel, le catalyseur a été mis en forme par compression. Dans la dernière partie de ce mémoire, la toxicité des particules ZIF-8 et ZIF-8 dopé par Cu ou Fe a été évaluée en utilisant des cellules alvéolaires A549 et de la peau IHK comme modèles. La stabilité des particules a été déterminée à l’aide de milieux mimant la digestion des particules in vivo. Les résultats obtenus montrent que les particules sont très sensibles aux variations de pH ainsi qu’aux sels présents dans les différents milieux
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Aleksandra Maria Schejn. Synthesis and catalytic activity of ZIF-8 and doped-ZIF-8 crystals: stability and cytotoxicity evaluation. Food and Nutrition. Université de Lorraine, 2015. English. ⟨NNT : 2015LORR0212⟩. ⟨tel-01754473⟩
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