Metalorganiske rammer studerer mekanismer til at opfange vand fra luft

Forskere fra Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf og Dresden University of Technology har afsløret vandadsorptionsmekanismen i visse mikroporøse materialer - såkaldte hierarkiske metal-organiske rammer (MOF'er) - mens de undersøger dem på atomær skala.

Opdaget for kun omkring 25 år siden førte deres særlige egenskaber hurtigt til et ry som "mirakelmaterialer" - som, som det viste sig, endda kan høste vand fra luften. Forskerne beskriver, hvordan materialet opnår dette i ACS Applied Materials &Interfaces .

"Disse meget specielle materialer er meget porøse faste stoffer lavet af metaller eller metal-iltklynger, som er forbundet på en modulær måde af søjler af organiske kemikalier. Dette 3D-arrangement fører til netværk af hulrum, der minder om porerne i en køkkensvamp. Det er netop disse hulrum, som vi er interesserede i," siger Dr. Ahmed Attallah fra HZDR's Institute of Radiation Physics.

Disse porer i nanoskala er grundlaget for overflødighedshornet af potentielle anvendelser, lige fra gaslagring til separationsteknologi samt katalyse og nye sensorer – og vandhøst som en af ​​de mest lovende.

Undersøge tomrummet

Holdet syntetiserede to MOF'er baseret på metallerne zirconium og hafnium, holdt på plads af den samme organiske ramme. Derefter havde forskerne et dybere kig på de opnåede materialers egenskaber ved at anvende en række komplementære teknikker.

På den ene side bestemte de, hvor meget nitrogen eller vanddamp, der kunne fanges i materialets porer. På den anden side så de nærmere på den nøjagtige mekanisme for vandadsorption i MOF'er, som til denne dato ikke var godt forstået.

"For at kaste lys over processen brugte vi en ikke-destruktiv teknik kendt som positron annihilation lifetime spectroscopy, eller kort sagt PALS, hvor en positron vil interagere med elektroner - dens antipartikler - og derved tilintetgøre og derefter frigive gammastråler, der kan blive opdaget," sagde Dr. Andreas Wagner, leder af ELBE Center for High-Power Radiation Sources ved HZDR.

"Tiden mellem emissionen af ​​positroner fra en radioaktiv kilde og den efterfølgende påvisning af gammastråler er positronernes levetid. Dette afhænger igen af, hvor hurtigt de møder elektroner."

Hvis der er hulrum til stede i materialet, som nanoporer, har positroner og elektroner tendens til at danne såkaldte positroniumatomer, hvor en elektron og en positron hver kredser om deres fælles massecenter og går lige mod hinanden, indtil parret af partikler er enten spredt eller tilintetgjort, alt efter hvad der kommer først.

Da disse eksotiske atomer lever længere i større hulrum, afslører de information om hulrummets størrelse og fordeling. Forskerne fandt ud af, at vandadsorptionen i MOF'erne hovedsageligt var styret af en trinvis påfyldningsmekanisme, herunder dannelse af væskebroer i porerne. Vandadsorptionen var påvirket af dannelsen af ​​vandklynger på poreoverfladen, som skabte små luftspalter i porerne.

Krammer ørkenluften ud

"På grund af den tætte kemiske lighed mellem metallerne zirconium og hafnium, har de resulterende metal-organiske rammer nøjagtig samme porestørrelser og høj kemisk stabilitet, hvilket giver os mulighed for at evaluere gyldigheden af ​​vores metode på samme tid," Prof. Stefan Kaskel, Formand for uorganisk kemi I ved Dresden University of Technology, forklarer. Hans gruppes forskning fokuserer på udviklingen af ​​nye funktionelle materialer til forskellige anvendelser, såsom energilagring og omdannelse, miljøkatalyse og vandadsorption.

Baseret på resultaterne konkluderer forskerne, at deres undersøgelse giver ny indsigt i vandadsorptionsmekanismen i hierarkiske MOF'er, som kunne hjælpe med at designe bedre materialer til vandindsamling fra luft, hvilket er særligt vigtigt i tørre områder. Ved at udsætte MOF'er for luft kan de fange vandmolekyler fra atmosfæren. Derefter kan vandet frigives og bruges ved at påføre varme eller reducere trykket.

Forskerne tænker allerede længere frem:Er teknologien velegnet til kommercielle løsninger? Som rapporteret af en anden gruppe i marken giver 1,3 liter vand pr. kilogram MOF pr. dag fra ørkenluft en idé om størrelsen af ​​det i øjeblikket praktiske opnåelige udbytte.

For at opnå en overordnet bæredygtig løsning skal der dog tages hensyn til andre faktorer ud over udbyttet. "For at opskalere vandhøsten med MOF'er bør de være billigt tilgængelige i store mængder. Desuden kræver traditionelle synteseruter store mængder organiske opløsningsmidler eller anskaffelse af dyre byggeklodser," peger Kaskel og Attallah på mulige faldgruber i denne bestræbelse.

For at undgå dem vil nyligt udviklede, såkaldte "grønne" synteseprocedurer tage fart i fremtiden, hvilket sikrer en miljøvenlig produktion af MOF'er.

Holdet fra Dresden følger allerede denne idé ved at følge principperne i grøn kemi, såsom at bruge vand som opløsningsmiddel, køre reaktioner ved energibesparende lave temperaturer og udnytte affaldsmaterialer som kilder til metaller og organiske linkere.

Flere oplysninger: Ahmed G. Attallah et al., Unraveling the Water Adsorption Mechanism in Hierarchical MOFs:Insights from In Situ Positron Annihilation Lifetime Studies, ACS Applied Materials &Interfaces (2023). DOI:10.1021/acsami.3c10974

Journaloplysninger: ACS-anvendte materialer og grænseflader

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres