Accelerated aging and mechanochemical milling: solid state approaches for metal organic material synthesis and mineral separation

by Feng Qi

Institution: McGill University
Department: Department of Chemistry
Degree: MS
Year: 2014
Keywords: Chemistry - General
Record ID: 2039451
Full text PDF: http://digitool.library.mcgill.ca/thesisfile121528.pdf


This thesis illustrates a systematic study of accelerated aging, a mild solid-state synthetic approach inspired by biomineralization (also known as mineral neogenesis or mineral weathering). Similar to mechanochemical milling, accelerated aging is a solvent-free and low energy method for metal organic materials synthesis. It is even more sustainable by avoiding the expensive mechanical mills and the dusty working environment. In this thesis, both main group and transitional metal oxides have been selected as reactants for accelerated aging reactions. Due to their different reactivity towards certain organic acids, solvent-free separation of these minerals has been proposed and demonstrated. By transferring the synthetic strategies developed in solvothermal synthesis, two dimensional and three dimensional metal organic frameworks have been obtained through accelerated aging. The influence of critical aging parameters such as temperature, time and humidity has been systematically demonstrated by a series of kinetic studies. Mechanochemical milling, as the other solid-state synthetic method, has also been introduced in thesis for comparison. The ideas in mechanochemistry such as ion- and liquid- assisted grinding and mechanical activation have thrown light to the improvement of accelerated aging. The scale-up of both mechanosynthesis and accelerated aging are easily achievable, which enables industrial application for more sustainable extractive metallurgical processes and chemical production lines. In this thesis, most of the described aging reactions have been scaled up to 10 grams, and by using their products as precursors, further advanced materials like supramolecular decorated nanoclusters have been successfully obtained. Cette thèse montre une étude systématique de vieillissement accéléré, une approche synthétique de l'état solide légère inspirée par biominéralisation (également connu sous le nom néogenèse minérale ou de l'altération des minéraux). Similaire au fraisage mécano, le vieillissement accéléré est une méthode de l'énergie sans solvant et à faible pour le métal la synthèse des matériaux organiques. Il est encore plus durable en évitant les moulins mécaniques coûteux et l'environnement de travail poussiéreux. Dans cette thèse, tant le groupe principal et des oxydes de métaux de transition ont été sélectionnés en tant que réactifs pour les réactions de vieillissement accéléré. En raison de leur réactivité différente à l'égard de certains acides organiques, la séparation sans solvant de ces minéraux a été proposée et démontrée. En transférant les stratégies de synthèse développés dans la synthèse solvothermale, deux cadres organiques métalliques dimensions dimensions et trois ont été obtenus grâce à un vieillissement accéléré. L'influence des paramètres de vieillissement critiques tels que la température, le temps et l'humidité a été systématiquement démontré par une série d'études cinétiques. Broyage mécano, que l'autre méthode de synthèse à l'état solide, a également été introduite dans la thèse de…