Water as a Modifier in a Hybrid Coordination Network Glass.
coordination networks
glass modifiers
hybrid glasses
melting
water
Journal
Small (Weinheim an der Bergstrasse, Germany)
ISSN: 1613-6829
Titre abrégé: Small
Pays: Germany
ID NLM: 101235338
Informations de publication
Date de publication:
Apr 2023
Apr 2023
Historique:
revised:
21
12
2022
received:
29
09
2022
medline:
28
1
2023
pubmed:
28
1
2023
entrez:
27
1
2023
Statut:
ppublish
Résumé
Chemical diversification of hybrid organic-inorganic glasses remains limited, especially compared to traditional oxide glasses, for which property tuning is possible through addition of weakly bonded modifier cations. In this work, it is shown that water can depolymerize polyhedra with labile metal-ligand bonds in a cobalt-based coordination network, yielding a series of nonstoichiometric glasses. Calorimetric, spectroscopic, and simulation studies demonstrate that the added water molecules promote the breakage of network bonds and coordination number changes, leading to lower melting and glass transition temperatures. These structural changes modify the physical and chemical properties of the melt-quenched glass, with strong parallels to the "modifier" concept in oxides. It is shown that this approach also applies to other transition metal-based coordination networks, and it will thus enable diversification of hybrid glass chemistry, including nonstoichiometric glass compositions, tuning of properties, and a significant rise in the number of glass-forming hybrid systems by allowing them to melt before thermal decomposition.
Identifiants
pubmed: 36703506
doi: 10.1002/smll.202205988
doi:
Types de publication
Journal Article
Langues
eng
Sous-ensembles de citation
IM
Pagination
e2205988Subventions
Organisme : the Independent Research Fund Denmark
ID : 0136-00011
Organisme : China Scholarship Council
ID : 201906250152
Organisme : European Union's Horizon 2020 research and innovation programme
ID : 101018156
Organisme : EuroHPC for computing resources on the Vega HPC
ID : EU2010PA6249
Organisme : National Research Foundation, Singapore
Organisme : National Science Foundation
ID : DMR-1928538
Organisme : National Science Foundation
ID : DMR-1944510
Informations de copyright
© 2023 The Authors. Small published by Wiley-VCH GmbH.
Références
R. J. Kuppler, D. J. Timmons, Q. R. Fang, J. R. Li, T. A. Makal, M. D. Young, D. Yuan, D. Zhao, W. Zhuang, H. C. Zhou, Coord. Chem. Rev. 2009, 253, 3042.
H. Furukawa, K. E. Cordova, M. O'Keeffe, O. M. Yaghi, Science 2013, 341, 1230444.
A. Singh, M. K. Jana, D. B. Mitzi, Adv. Mater. 2021, 33, 2005868.
B. K. Shaw, A. R. Hughes, M. Ducamp, S. Moss, A. Debnath, A. F. Sapnik, M. F. Thorne, L. N. McHugh, A. Pugliese, D. S. Keeble, P. Chater, J. M. Bermudez-Garcia, X. Moya, S. K. Saha, D. A. Keen, F. X. Coudert, F. Blanc, T. D. Bennett, Nat. Chem. 2021, 13, 778.
K. S. Park, Z. Ni, A. P. Cote, J. Y. Choi, R. Huang, F. J. Uribe-Romo, H. K. Chae, M. O'Keeffe, O. M. Yaghi, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2006, 103, 10186.
T. D. Bennett, J. C. Tan, Y. Yue, E. Baxter, C. Ducati, N. J. Terrill, H. H. M. Yeung, Z. Zhou, W. Chen, S. Henke, A. K. Cheetham, G. N. Greaves, Nat. Commun. 2015, 6, 8079.
T. D. Bennett, Y. Yue, P. Li, A. Qiao, H. Tao, N. G. Greaves, T. Richards, G. I. Lampronti, S. A. T. Redfern, F. Blanc, O. K. Farha, J. T. Hupp, A. K. Cheetham, D. A. Keen, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 3484.
D. Umeyama, N. P. Funnell, M. J. Cliffe, J. A. Hill, A. L. Goodwin, Y. Hijikata, T. Itakura, T. Okubo, S. Horike, S. Kitagawa, Chem. Commun. 2015, 51, 12728.
L. Frentzel-Beyme, M. Kloß, P. Kolodzeiski, R. Pallach, S. Henke, J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 12362.
N. Ma, S. Horike, Chem. Rev. 2022, 122, 4163.
T. D. Bennett, P. J. Saines, D. A. Keen, J. C. Tan, A. K. Cheetham, Chem. - Eur. J. 2013, 19, 7049.
Y. Wang, H. Jin, Q. Ma, K. Mo, H. Mao, A. Feldhoff, X. Cao, Y. Li, F. Pan, Z. Jiang, Angew. Chem., Int. Ed. 2020, 59, 4365.
G. Jiang, C. Qu, F. Xu, E. Zhang, Q. Lu, X. Cai, S. Hausdorf, H. Wang, S. Kaskel, Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2104300.
T. To, S. S. Sørensen, M. Stepniewska, A. Qiao, L. R. Jensen, M. Bauchy, Y. Yue, M. M. Smedskjaer, Nat. Commun. 2020, 11, 2593.
A. K. Varshneya, Fundamentals of Inorganic Glasses, Elsevier, Amsterdam 2013.
R. S. K. Madsen, A. Qiao, J. Sen, I. Hung, K. Chen, Z. Gan, S. Sen, Y. Yue, Science 2020, 367, 1473.
M. Liu, R. D. McGillicuddy, H. Vuong, S. Tao, A. H. Slavney, M. I. Gonzalez, S. J. L. Billinge, J. A. Mason, J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 2801.
L. Longley, S. M. Collins, S. Li, G. J. Smales, I. Erucar, A. Qiao, J. Hou, C. M. Doherty, A. W. Thornton, A. J. Hill, X. Yu, N. J. Terrill, A. J. Smith, S. M. Cohen, P. A. Midgley, D. A. Keen, S. G. Telfer, T. D. Bennett, Chem. Sci. 2019, 10, 3592.
N. Ma, N. Horike, L. Lombardo, S. Kosasang, K. Kageyama, C. Thanaphatkosol, K. Kongpatpanich, K. I. Otake, S. Horike, J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 18619.
J. E. Shelby, Introduction to Glass Science and Technology, The Royal Society Of Chemistry, London 2005.
V. Nozari, C. Calahoo, J. M. Tuffnell, D. A. Keen, T. D. Bennett, L. Wondraczek, Nat. Commun. 2021, 12, 5703.
M. Liu, A. H. Slavney, S. Tao, R. D. Mcgillicuddy, C. C. Lee, M. B. Wenny, S. J. L. Billinge, J. A. Mason, J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 22262.
D. M. L. Goodgame, D. A. Grachvogel, I. Hussain, A. J. P. White, D. J. Williams, Inorg. Chem. 1999, 38, 2057.
C. R. Groom, I. J. Bruno, M. P. Lightfoot, S. C. Ward, Acta Crystallogr 2016, 72, 171.
B. C. Hancock, G. Zografi, Pharm. Res. 1994, 11, 471.
H. Z. Cummins, H. Zhang, J. Oh, J. A. Seo, H. K. Kim, Y. H. Hwang, Y. S. Yang, Y. S. Yu, Y. Inn, J. Non.-Cryst. Solids 2006, 352, 4464.
J. Deubener, R. Müller, H. Behrens, G. Heide, J. Non.-Cryst. Solids 2003, 330, 268.
C. Zhou, M. Stepniewska, L. Longley, C. W. Ashling, P. A. Chater, D. A. Keen, T. D. Bennett, Y. Yue, Phys. Chem. Chem. Phys. 2018, 20, 18291.
M. M. Smedskjaer, R. E. Youngman, S. Striepe, M. Potuzak, U. Bauer, J. Deubener, H. Behrens, J. C. Mauro, Y. Yue, Sci. Rep. 2014, 4, 3770.
P. G. Debenedetti, F. H. Stillinger, Nature 2001, 410, 259.
L. M. Wang, V. Velikov, C. A. Angell, J. Chem. Phys. 2002, 117, 10184.
D. L. Sidebottom, Front. Mater. 2019, 6, 144.
I. Gallino, Entropy 2017, 19, 483.
A. Qiao, T. D. Bennett, H. Tao, A. Krajnc, G. Mali, C. M. Doherty, A. W. Thornton, J. C. Mauro, G. N. Greaves, Y. Yue, Sci. Adv. 2018, 4, eaao6827.
R. Böhmer, K. L. Ngai, C. A. Angell, D. J. Plazek, J. Chem. Phys. 1993, 99, 4201.
M. M. Smedskjaer, J. C. Mauro, S. Sen, Y. Yue, Chem. Mater. 2010, 22, 5358.
W. E. Bull, S. K. Madan, J. E. Willis, Inorg. Chem. 1963, 2, 303.
P. Richet, B. O. Mysen, D. Andrault, Phys. Chem. Miner. 1996, 23, 157.
G. Rayner-Canham, T. Overton, Descriptive Inorganic Chemistry, W. H. Freeman and Company, New York 2013.
F. A. Cotton, D. M. L. Goodgame, M. Goodgame, J. Am. Chem. Soc. 1961, 83, 4690.
Y. Abe, M. Morikawa, M. Kikukawa, Polyhedron 1988, 7, 2135.
R. Gaillac, P. Pullumbi, K. A. Beyer, K. W. Chapman, D. A. Keen, T. D. Bennett, F. X. Coudert, Nat. Mater. 2017, 16, 1149.
J. I. Gersten, F. W. Smith, The Physics and Chemistry of Materials, Wiley, New York 2001.
W. Liu, S. J. Borg, D. Testemale, B. Etschmann, J. L. Hazemann, J. Brugger, Geochim. Cosmochim. Acta 2011, 75, 1227.
T. W. Swaddle, L. Fabes, Can. J. Chem. 1980, 58, 1418.
H. S. R. Gilson, M. Krauss, J. Phys. Chem. A 1998, 102, 6525.
S. F. Lincoln, D. T. Richens, A. G. Sykes, in Comprehensive Coordination Chemistry II (Eds: J. A. McCleverty, T. J. Meyer), Elsevier, Amsterdam 2003, pp. 515-555.
A. H. Slavney, H. K. Kim, S. Tao, M. Liu, S. J. L. Billinge, J. A. Mason, J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 11064.
Z. Yin, Y. Zhao, S. Wan, J. Yang, Z. Shi, S. Peng, M. Chen, T. Xie, T. Zeng, O. Yamamuro, M. Nirei, H. Akiba, Y. Zhang, H. Yu, J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 13021.
A. M. Bumstead, M. F. Thorne, T. D. Bennett, Faraday Discuss. 2021, 225, 210.
M. M. Smedskjaer, J. C. Mauro, Y. Yue, Phys. Rev. Lett. 2010, 105, 115503.
Y. Yang, C. J. Wilkinson, K. H. Lee, K. Doss, T. D. Bennett, Y. K. Shin, A. C. T. Van Duin, J. C. Mauro, J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 6985.
K. Yang, B. Yang, X. Xu, C. Hoover, M. M. Smedskjaer, M. Bauchy, J. Non-Cryst. Solids 2019, 514, 15.
M. Stepniewska, K. Januchta, C. Zhou, A. Qiao, M. M. Smedskjaer, Y. Yue, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2020, 117, 10149.
R. Conradt, J. Am. Ceram. Soc. 2008, 91, 728.
S. S. Sørensen, E. J. Pedersen, F. K. Paulsen, I. H. Adamsen, J. L. Laursen, S. Christensen, H. Johra, L. R. Jensen, M. M. Smedskjaer, Appl. Phys. Lett. 2020, 117, 031901.