Substrate-grown metal organic frameworks for medical oxygen concentrators

In recent years, the diffusion of medical devices designed to produce medical oxygen from ambient air, known as medical oxygen concentrators (MOCs), has increased due to the rising prevalence of chronic obstructive pulmonary disease (COPD). It is now crucial to develop methods to reduce the energy consumption and size of these devices to enable their use in emergencies. A possible solution consists of replacing the adsorbent material, usually zeolite, with oxygen-selective MOFs. These highly porous crystalline compounds can be used to produce medical oxygen. This thesis aims to study the formation of MOF thin films on a glass substrate. These highly porous crystalline compounds have in fact a great potential for the production of medical oxygen. The aim of this thesis work, in particular, is to evaluate the possibility of using thin films of MOFs grown on a substrate instead of powders. In the first part of this thesis, a model MOF is used to study two different film deposition methods, with greater attention to the layer-by-layer approach. For this last method, the effects of different deposition parameters on the resulting film are studied (through XRD analysis, SEM and adhesion tests): the number of cycles, the surface pre-treatment of the substrate, the concentration and the type of solvent of the ligand and metal salt solutions. The second part of the work, on the other hand, concentrated on the in situ growth of two oxygen-selective MOFs, which were identified as some of the most promising in a previous thesis.

Negli ultimi anni la diffusione di dispositivi medici in grado di produrre ossigeno medicale dall’aria ambientale, chiamati anche concentratori di ossigeno medicale (MOCs), è aumentata a causa di una crescente incidenza di malattie polmonari ostruttive croniche (COPD). Ad oggi è fondamentale trovare un modo per ridurre il consumo energetico e le dimensioni di questi dispositivi per poterli impiegare anche in situazioni di emergenza. Una possibile soluzione consiste nella sostituzione del materiale adsorbente, in genere zeolite, con dei MOF selettivi all’ossigeno. Questi composti cristallini altamente porosi hanno infatti un grande potenziale per la produzione di ossigeno medicale. Lo scopo di questo lavoro di tesi, in particolare, è quello di valutare la possibiltà di utilizzare dei film sottili di MOF cresciuti su substrato invece delle polveri. Nella prima parte di questa tesi viene impiegato un MOF modello per studiare due diversi metodi di deposizione di film, con maggiore attenzione al metodo layer-by-layer. Per quest’ultimo metodo sono studiati (tramite analisi XRD, SEM e test di adesione) gli effetti di diversi parametri di deposizione sul film risultante: il numero di cicli, il pre-trattamento superficiale del substrato, la concentrazione e il tipo di solvente delle soluzioni di ligando e di sale metallico. La seconda parte del lavoro si è concentrata invece sulla crescita in situ due MOF ossigeno selettivi, identificati come tra i più promettenti in un lavoro di tesi precedente.