Organiske metalskeletter lavet til at fungere som væsker

Innovative materialer kaldet metalorganiske rammer (MOF'er) kan blive meget mere alsidige efter forskning, der viser, at de kan manipuleres som væsker.

MOF'er er meget porøse krystallinske faste stoffer med metalioner eller metalklynger forbundet af organiske (carbonbaserede) linkergrupper. Variering af disse dele kan skabe et stort udvalg af faste stoffer med indre porer i stand til at fange udvalgte molekyler eller katalysere kemiske reaktioner.

"Disse krystallinske materialer er svære at bearbejde, men vi har udviklet en måde at opløse dem på, " siger Anastasiya Bavykina fra forskerholdet på KAUST Catalysis Center.

KAUST-forskerne producerede membraner sammensat af MOF indlejret i en polymer, som de siger kan opnå enestående ydeevne i den udfordrende adskillelse af propylengas fra propan.

"Dette er revolutionerende, " siger Bavykina. Propylen er et nøgleråmateriale til den kemiske industri; det bruges til at fremstille polymeren polypropylen, der bruges i mange produkter. Det kan også omdannes til andre polymerer og industrielt nyttige kemikalier, men den skal først skilles fra den propan, den generelt kommer blandet med.

"Hvis de nuværende energiintensive propan-propylen-separationsteknologier, baseret på destillation, kunne erstattes af vores MOF-membranteknologi, så kunne dette spare omkring 0,1 procent af det globale energiforbrug, " påpeger medforfatter Shuvo Datta.

En udfordring for holdet var at få en krystallinsk MOF til at opføre sig som en porøs væske. Holdet opdagede, hvordan man modificerer overfladen af ​​relativt store MOF-nanopartikler med passende kemiske grupper. Denne "overfladefunktionalisering" gjorde det muligt for nanopartiklerne at danne stabile dispersioner i et flydende opløsningsmiddel.

En anden udfordring var at sikre, at de indre porer i MOF'erne forbliver tomme og i stand til at optage og tillade permeation af ønskede gasmolekyler. De porøse rum og opløsningsmiddelmolekylerne skal kontrolleres omhyggeligt for at forhindre opløsningsmidlet i at udfylde hullerne.

"Det er heller ikke nemt rent faktisk at påvise, at en væske er porøs, " tilføjer Bavykina. Forskerne var nødt til at udvikle et nyt eksperimentelt setup for at opnå dette.

MOF-dispersionerne i flydende fase kan adskille gasblandinger, der bobles gennem dem, men holdet opnåede større fleksibilitet ved at inkorporere en MOF i deres fleksible og robuste polymermembraner. Dette gjorde det muligt for et kontinuerligt flowsystem at køre i op til 30 dage, producerer 97 procent ren propylen fra en 50/50 propan-propylen-blanding, der effektivt blev filtreret af membranen.

Holdet ønsker nu at skalere deres procedure op for at demonstrere deres kommercielle potentiale. De vil også søge at anvende det på andre vigtige industrielle gasseparationsprocesser.

Undersøgelsen er publiceret i Naturmaterialer .