Nye metalfrie porøse rammematerialer kan have potentiale til brintlagring

Forskere ved University of Liverpool og University of Southampton har brugt beregningsmetoder til at udvikle ikke-metal organiske porøse rammematerialer med potentielle anvendelser inden for områder som katalyse, vandopsamling eller brintlagring.

I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Nature , brugte forskerholdet billige og rigelige ikke-metalliske elementer, såsom chloridioner, til at designe ikke-metal organiske porøse rammer (N-MOF'er).

De nye materialer tilbyder et alternativ til metal-organiske rammer (MOF'er), en klasse af porøse, krystallinske materialer, der består af metaller forbundet med organiske linkerforbindelser.

Mere end 95.000 MOF'er er indtil videre blevet opdaget med en bred vifte af applikationer inden for områder som katalyse, gasseparation og energilagring.

De nye metalfrie porøse rammematerialer mangler endnu at blive udforsket fuldt ud, men har allerede vist tidligt løfte om opfangning af jod, hvilket er vigtigt i den nukleare industri. Andre anvendelsesområder kunne omfatte protonledning, katalyse, vandopsamling og brintlagring.

Forskerholdet mener, at det i fremtiden bør være muligt at udvide strategien til materialer, hvor organiske linkere er forbundet af ioner, der består af andre almindelige ikke-metalelementer såsom nitrogen, oxygen og svovl.

Forskningen trak på komplementær ekspertise i opdagelsen af ​​nye materialer og robotteknologi fra University of Liverpool sammen med ekspertise inden for beregningsmodellering fra University of Southampton.

Professor Andrew Cooper fra University of Liverpools Department of Chemistry and Materials Innovation Factory i Liverpool sagde:"Dette arbejde åbner op for en række muligheder. Vores tilgang bruger ikke-metalanioner som noder til at bygge rammer frem for metalkationer i MOF'er. Der er flere anioner tilgængelige, end der er metaller i det periodiske system, så pladsen til at søge efter nye materialer er enorm."

Der er dog et langvarigt problem:metalknuder i MOF'er styrer rammestrukturen, snarere som samlinger i et stillads. Disse samlinger har en forudsigelig geometri, der gør det muligt at designe MOF'er til specifikke applikationer. Denne "molekylære Lego"-tilgang virker ikke for ikke-metalliske salte, fordi vekselvirkningerne er meget mindre retningsbestemte.

Professor Graeme Day fra University of Southamptons School of Chemistry sagde:"Vi guidede opdagelsen af ​​disse materialer ved hjælp af en beregningsmetode kaldet forudsigelse af krystalstruktur.

"Dette giver os mulighed for at forudsige, hvilke ikke-metalsalte der vil danne stabile porøse rammer, hvilke salte der ikke vil, og at forudse den præcise krystalstruktur forud for eksperimentelt arbejde. Vi behøver ikke at antage en specifik geometri for leddene i fugerne. ramme, som er et grundlæggende princip i MOF-kemi."

Forskningen er en del af et bredere forskningsprogram, der har til formål at omdefinere den måde, vi opdager nye materialer på ved at kombinere nye teknikker inden for beregningsforudsigelse, kunstig intelligens og robotteknologi.

Flere oplysninger: Andrew Cooper, Porøse isoretikulære ikke-metal organiske rammer, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07353-9. www.nature.com/articles/s41586-024-07353-9

Journaloplysninger: Natur

Leveret af University of Liverpool