Forbedring af ydeevnen af ​​metal-organiske rammematerialer

Forskere ved gruppen af ​​Dr. Stefania Grecea ved University of Amsterdams forskningsprioritet for bæredygtig kemi har udtænkt en måde at forbedre den praktiske ydeevne af metal-organiske rammer (MOF'er). Ved at bruge blade fra den sorte poppel som skabelon, de producerede hierarkiske porøse strukturer af blandede metaloxidmaterialer, der kan fungere som støtte for MOF-krystaller. I en nylig udgave af tidsskriftet ACS anvendte materialer og grænseflader , Ph.D. studerende Yiwen Tang, i samarbejde med Dr. David Dubbeldam fra UvA Computational Chemistry group, demonstrere det bioinspirerede designs unikke adsorptions- og separationsegenskaber.

Adskillelse af vand-alkoholblandinger er et af de mest udfordrende problemer forbundet med den praktiske anvendelse af bioethanol som et bæredygtigt brændstof. Fremstillet af landbrugsråvarer, algeopdræt eller gæring af melasse, bioethanol indeholder både vand og methanol som urenheder. At opnå bioethanol af brændstofkvalitet fra disse vand-alkoholblandinger ved hjælp af traditionel destillation er ikke praktisk, fordi vand og ethanol danner en såkaldt azeotrop blanding.

Det omkostningseffektive og grønne alternativ til destillation er adsorptiv separation. I produktionen af ​​biobrændstoffer, denne metode er afhængig af udviklingen af ​​adsorberende materialer, som er meget selektive over for ethanol eller urenhederne i blandingen. Ved University of Amsterdams forskningsprioritetsområde bæredygtig kemi, gruppen af ​​Dr. Stefania Grecea udvikler syntetiske tilgange til at designe porøse molekylær-baserede materialer med sådanne selektive adsorptionsegenskaber.

Adsorberende materialer

Egnede adsorberende materialer til separationsanvendelser bør have en passende porøs struktur og højt specifikt overfladeareal for at lette både adsorption og diffusion af specifikke molekyler. En specifik klasse af adsorberende materialer er metal-organiske rammer (MOF'er). De har et højt specifikt område og ved at justere størrelsen og funktionaliteten af ​​deres porer på molekylært niveau, specifikke adsorptionsselektiviteter kan opnås.

Imidlertid, praktisk anvendelse afhænger også af deres makroskopiske egenskaber. Ofte syntetiseres MOF'er som pulvere af små krystaller. Disse kan ikke bruges direkte i industrielle applikationer, fordi de har begrænset pakningstæthed samt høje diffusionsbarrierer. En løsning er at forme MOF'er som granulat, pellets eller monolitter, eller at sprede dem i tynde film, skabe membraner. Imidlertid, trykket påført i sådanne formgivningsmetoder fører til tab af krystallinitet og derfor til reduceret aktivitet eller endda inaktivering af MOF-materialerne. Det er derfor stadig noget af en udfordring at finde den mest passende behandlingsmetode for MOF'er.

Ser på blade

I søgen efter måder at forbedre MOF-ydelsen på, Amsterdam-forskerne vendte sig mod naturen, i særdeleshed, til grønne planteblade. Forskere har allerede brugt naturlige blade som skabeloner til at designe heterogene fotokatalysatorer, da de er struktureret til at give effektiv lyshøst. Sådanne kunstige bladstrukturer har vist sig at være meget effektive til brintproduktion.

UvA-forskerne hentede inspiration fra det naturlige bladåresystem, der har udviklet sig til transport af vandige væsker. Det er et hierarkisk porøst system bestående af mange fibre og kar i forskellige størrelser. Inden for separationsteknologi, hierarkisk porøse materialer med porer i flere niveauer udviser ofte forbedret adsorptionsydelse sammenlignet med porøse materialer af ensartet størrelse.

Derfor, forskerne syntetiserede et blandet metaloxidmateriale med en hierarkisk porøs struktur ved hjælp af en sol-gel-metode, hvor naturlige blade fra den sorte poppel (Populous nigra) blev brugt som skabelon. Dette kunstige blad af blandet oxid blev derefter brugt som en støtte til at skabe et homogent spredt lag af MOF-krystaller.

Detaljerede morfologiske undersøgelser viste, at det resulterende kompositmateriale faktisk har en hierarkisk porøs struktur, og at MOF-krystaller med snæver størrelsesfordeling er homogent spredt på den indre overflade af de hierarkiske porer.

Præstationsstudier

I lyset af anvendelse i bioethanoloprensning, Yiwen Tang studerede vandet, methanol og ethanol adsorptionsegenskaber af det nye materiale. Han konstaterede, at selektiviteten varierer i rækkefølgen methanol> ethanol> vand. Efterfølgende molekylære simuleringer udført af Dr. David Dubbeldam ved hjælp af ækvimolære ethanol-methanol-blandinger viste, at methanoladsorption er meget selektivt i lavtryksområdet. I øvrigt, materialet er effektivt til at adskille vand-ethanolblandinger, hvor ethanol adsorberes selektivt i lavtryksområdet, mens vand adsorberes selektivt ved høje tryk.

Forskerne konkluderer, at deres bio-inspirerede syntetiske tilgang er yderst relevant ikke kun for molekylære separationsapplikationer, men også som en generel strategi for design af MOF-kompositmaterialer til forskellige applikationer, herunder katalyse og molekylær sansning.