Den universelle sandhed om klæbrige overflader

Det bliver nemmere at fange molekyler på specialdesignede porøse overflader med en ny model, der forener tidligere teorier om adsorption.

Mange renseværktøjer, fra simple kulfiltre til komplekse afsaltningsanlæg, stole på faste stoffer med millioner af bittesmå porer til at fange og fjerne forurenende stoffer uden at binde sig kemisk til dem. Nu, et KAUST-team har identificeret nøglefaktorerne, der forbinder adsorption på forskellige slags porøse overflader, løse århundredgamle problemer med at forudsige optagelse på ukendte stoffer.

I begyndelsen af ​​1900-tallet, begrebet adsorptionsisotermer opstod for at beskrive, hvordan adsorbenter opfører sig i nærværelse af støt stigende mængder af molekyler. Disse grafer har forskellige former, der afhænger af atom-skala overfladeegenskaber - f.eks. om partikler klæber i enkeltlag eller flerlag - og blev hurtigt afgørende for at designe og forstå oprensningsopsætninger. De fleste absorbenter, kemikere fundet, kunne sorteres i en af ​​seks isotermer efter et par eksperimentelle målinger.

Imidlertid, moderne absorbenter med heterogene porestrukturer, såsom metal-organiske rammer (MOF'er), viser sig at være sværere at modellere. Mens disse materialer drager fordel af test med høj kapacitet af adskillige prøver, behovet for individuelle isotermmålinger bremser opdagelsen betydeligt - en situation oplevet af professor Kim Choon Ng ved KAUST's Water Desalination and Reuse Center.

"Vi arbejdede på at forbedre behandling af havvand, og det var meget kedeligt at bruge isotermer, " siger Ng. "Alle skulle lave deres eget prøve- og fejlarbejde til bestemte applikationer, og der var ingen reel teori til at hjælpe folk med at designe absorbenter."

Med forskerne Muhammad Burhan og Muhammad Shahzad, Ng havde til formål at finde ud af, hvordan de forskellige isotermer kunne kombineres til en enkelt universel model. De foreslog at underopdele overflader med porevariationer i nanometerskala i bittesmå pletter, der adsorberer gæstemolekyler under lignende termodynamiske og kinetiske forhold. Ved at indføre en sandsynlighedsfaktor til at definere energifordelingen af ​​hvert plaster, holdet skabte en matematisk funktion, der var i stand til at opdage væsentlige egenskaber ved adsorberende overflader.

Sammenligninger mellem forudsigelser genereret af den universelle model og litteraturisotermer afslørede styrken af ​​den nye tilgang. Ikke alene matchede de teoretiske data de målte eksperimenter for alle seks isotermkategorier, men flere toppe dukkede op i energifordelingsplottene, når heterogene forhold detekteres - parametre, der kan vise sig at være kritiske for udvikling af innovative materialer med finjusterede sorptionsevner.

"Hvert adsorbent-adsorbat par har sin egen distinkte energifordelingsfunktion, som giver os mulighed for at fange al information i isotermerne, " forklarer Ng. "Materialforskere bør være i stand til at bruge teknikker som forsuring til at udvide porestørrelser i metalorganiske rammer og ændre deres energifordeling for at øge optagelsen."