Các khung hữu cơ kim loại (MOFs) và khung hữu cơ cộng hóa trị (COFs) là hai loại vật liệu xốp tinh thể được cấu trúc theo nguyên tắc tự lắp ráp từ các đơn vị nhỏ – tạo nên mạng lưới ba chiều có diện tích bề mặt rất lớn. Đây là một trong những lĩnh vực tiên phong trong hóa học vật liệu nano và hóa học mạng lưới (reticular chemistry).
🧱 I. MOFs (Metal–Organic Frameworks) – Khung Hữu Cơ Kim Loại
✅ Cấu trúc:
-
Là mạng tinh thể 3 chiều được tạo từ:
-
Ion kim loại hoặc cụm kim loại (nodes)
-
Ligand hữu cơ đa chức (linkers)
-
-
Tạo thành khung lưới rỗng với diện tích bề mặt rất lớn (lên tới 10.000 m²/g).
✅ Tính chất nổi bật:
-
Độ xốp cao
-
Diện tích bề mặt lớn
-
Có thể điều chỉnh kích thước lỗ rỗng và tính chất hóa học
-
Dễ tùy biến chức năng hóa
✅ Ứng dụng thực tế:
| Ứng dụng | Mô tả |
|---|---|
| Lưu trữ khí (H₂, CH₄) | Dùng trong pin nhiên liệu, xe điện chạy hydro |
| Thu giữ CO₂ | Hấp phụ CO₂ từ khí thải nhà máy, giảm hiệu ứng nhà kính |
| Tách và lọc khí | Phân tách khí trong công nghiệp hóa dầu |
| Cảm biến | Phát hiện hóa chất độc hại ở nồng độ thấp |
| Xúc tác | Làm xúc tác trong tổng hợp hữu cơ, hóa dầu |
| Dược phẩm | Hệ vận chuyển thuốc (drug delivery), cảm ứng pH |
🧬 II. COFs (Covalent Organic Frameworks) – Khung Hữu Cơ Cộng Hóa Trị
✅ Cấu trúc:
-
Tạo thành từ các phân tử hữu cơ liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị (C–C, C–N…)
-
Không có thành phần kim loại
-
Là mạng tinh thể hữu cơ, rất nhẹ và bền.
✅ Tính chất nổi bật:
-
Độ tinh khiết cao
-
Nhẹ và bền nhiệt, bền hóa học
-
Có thể thiết kế theo hướng 2D hoặc 3D
-
Lỗ xốp có thể điều chỉnh linh hoạt
✅ Ứng dụng thực tế:
| Ứng dụng | Mô tả |
|---|---|
| Siêu tụ điện – pin | Vật liệu điện cực hiệu suất cao |
| Cảm biến sinh học – hóa học | Phát hiện kháng sinh, virus, độc chất |
| Lọc nước – xử lý môi trường | Loại bỏ kim loại nặng, thuốc trừ sâu, vi khuẩn |
| Dẫn truyền proton/electron | Ứng dụng trong pin nhiên liệu |
| Phân giải chất độc | COFs có thể phân hủy khí độc như sarin, mustard gas |
🧠 So sánh MOFs và COFs:
| Tiêu chí | MOFs | COFs |
|---|---|---|
| Thành phần chính | Kim loại + Ligand hữu cơ | Hoàn toàn hữu cơ |
| Liên kết | Ion – phối tử | Liên kết cộng hóa trị |
| Ổn định nhiệt/hóa | Trung bình đến cao | Rất cao |
| Ứng dụng phổ biến | Lưu trữ khí, xúc tác | Lọc nước, cảm biến, pin điện |
🔬 Ví dụ ứng dụng nổi bật
-
MOF-5: Lưu trữ hydrogen cho ô tô chạy pin nhiên liệu
-
ZIF-8 (một loại MOF): Lọc nước, khử vi khuẩn, dùng trong mặt nạ lọc khí
-
COF-TpPa-1: Lọc ion kim loại nặng trong nước thải công nghiệp
-
COF nanocarrier: Vận chuyển thuốc chống ung thư theo cơ chế nhắm đích (targeted delivery)
