Adskillelse af gasser ved hjælp af fleksible molekylsigter

Forskere ved University of Liverpool og King Abdullah University of Science and Technology har rapporteret nogle spændende resultater vedrørende metal-organiske rammer (MOF'er), en klasse af porøse materialer, som kunne gavne en lang række vigtige gasseparationsprocesser.

Resultaterne er rapporteret i to forskningsartikler offentliggjort i denne måned.

Metal-organiske rammer (MOF'er) er en relativt ny klasse af porøse, krystallinske materialer med en bred vifte af anvendelser.

Nogle MOF'er kan fungere som en molekylsigte, lader én type gasmolekyle fra en blanding passere igennem, mens de blokerer de andre. For eksempel, det er kendt, at nogle MOF'er adskiller propylen fra propan, en vigtig proces i fremstillingen af ​​polypropylenplast, hvortil højrent propylen kræves.

I et første papir udgivet i Naturkommunikation , forskere viser, at i modsætning til en køkkensi, disse tredimensionelle molekylsigter kan ændre deres poreform, og deres fleksibilitet er afgørende for denne ydeevne.

Den beregningsmæssige modellering understøttet af eksperimentelle røntgendata indikerer, at for en sådan højtydende MOF, kaldet KAUST-7, de strukturelle ændringer i MOF udløst af tilstedeværelsen af ​​propylen- og propangasmolekylerne er kvalitativt forskellige og resulterer i stærkere adsorption og hurtigere transport af propylen, hvilket i det væsentlige sigter propanmolekyler ud.

Imidlertid, det er svært at forudsige, hvilke andre slags MOF'er, der har denne funktionelle fleksibilitet og derfor også kan være gode til en given gasseparation, fordi ydeevnen styres af specifikke molekylære interaktioner, som er svære at forudse eller identificere eksperimentelt.

I et andet papir udgivet i Fysisk kemi Kemisk fysik , forskere fokuserer på denne udfordring.

De udviklede en beregningsmæssig screeningstilgang til at vurdere over fire tusinde tidligere rapporterede MOF'er for deres fleksibilitet, når de fungerer som en molekylsigte. Ved at bruge denne tilgang, de identificerede de fire bedste MOF'er, som viser potentialet til at adskille propylen fra propan - to af dem har allerede været kendt for at have en god ydeevne, mens de to andre endnu ikke er blevet testet for denne anvendelse eksperimentelt.

Dr. Matthew Dyer, en underviser i kemi og en del af universitetets Leverhulme Research Center for Functional Materials Design, sagde:"MOF'er har tiltrukket sig betydelig interesse i de seneste år, og der er store forhåbninger til tekniske applikationer, især for fleksible MOF'er.

"Vores forskning bidrager til vores viden om MOF'er, hvorfor nogle er i stand til at fungere som sigter, og hvilke udviser fleksibilitet.

"Ved at bruge en beregningsmetode, vi er i stand til at identificere fleksible MOF'er, og disse resultater har potentiale til at gøre processen med at rense gasser mere energieffektiv. Dette er vigtigt i forhold til fremstillingen af ​​højkvalitetsplast, som har brug for rene udgangsforbindelser, der almindeligvis udvindes fra gasformige biprodukter i petrokemisk forarbejdning. "

"Sådanne metoder til screening med høj kapacitet kan anvendes på mange forskellige materialer med forskellige potentielle anvendelser. De har potentialet til at ændre den måde, vi finder materialer på til at imødegå teknologiske udfordringer."

Leverhulme Center for Research Center for Functional Materials Design er et tværfagligt forskningscenter, som har til formål at revolutionere design af nye materialer. Det samler kemisk viden med avanceret datalogi for at udvikle en ny tilgang til design af funktionelle materialer på atomær skala.

Artiklen "Differential guest location by host dynamics enhances propylen-propan separation in a metal-organic framework" er udgivet i Naturkommunikation .

Artiklen "High-Throughput Screening of Metal-Organic Frameworks for Kinetic Separation of Propan and Propene" er udgivet Fysisk kemi Kemisk fysik .