En bättre förståelse för reningsuppsättningar kommer att hjälpa materialforskare att utveckla bättre filtreringssystem. Kredit:Panther Media GmbH / Alamy
Att fånga molekyler på specialdesignade porösa ytor blir lättare med en ny modell som förenar tidigare teorier om adsorption.
Många reningsverktyg, från enkla kolfilter till komplexa avsaltningsanläggningar, lita på fasta ämnen med miljontals små porer för att fånga upp och ta bort föroreningar utan att kemiskt binda till dem. Nu, ett KAUST-team har identifierat nyckelfaktorerna som kopplar samman adsorption på olika typer av porösa ytor, lösa sekelgamla problem med att förutsäga upptag av okända ämnen.
I början av 1900-talet, begreppet adsorptionsisotermer uppstod för att beskriva hur adsorbenter beter sig i närvaro av stadigt ökande mängder molekyler. Dessa grafer har distinkta former som beror på ytegenskaper i atomskala, till exempel, oavsett om partiklar fastnar i enstaka lager eller flerlager – och blev snabbt avgörande för att designa och förstå reningsuppsättningar. De flesta absorbenter, kemister hittade, kunde sorteras i en av sex isotermer efter några experimentella mätningar.
Dock, moderna absorbenter med heterogena porstrukturer, såsom metall-organiska ramverk (MOFs), har visat sig svårare att modellera. Även om dessa material drar nytta av högkapacitetstestning av många prover, behovet av individuella isotermmätningar bromsar upptäckten avsevärt - en situation som professor Kim Choon Ng upplevde vid KAUSTs vattenavsaltnings- och återanvändningscenter.
SEM-bilder av den porösa ytan vid ökande mikroskopistyrka (uppifrån vänster). Kredit:KAUST
"Vi arbetade för att förbättra behandlingen av havsvatten, och att använda isotermer var väldigt tråkigt, " säger Ng. "Alla var tvungna att göra sina egna försök och fel för särskilda applikationer, och det fanns ingen riktig teori för att hjälpa människor att designa absorbenter."
Med forskarna Muhammad Burhan och Muhammad Shahzad, Ng syftade till att ta reda på hur de olika isotermerna kunde kombineras till en enda universell modell. De föreslog att dela upp ytor med porvariationer i nanometerskala i små fläckar som adsorberar gästmolekyler under liknande termodynamiska och kinetiska förhållanden. Genom att införa en sannolikhetsfaktor för att definiera energifördelningen för varje lapp, teamet skapade en matematisk funktion som kan upptäcka betydande egenskaper hos adsorberande ytor.
Skillnader i porstorlekar på absorberande ytor kan bättre förstås med en modell som upptäcker små områden där gaser fäster vid liknande energier Återges med tillstånd under creative commons licens från referens. Kredit:KAUST
Jämförelser mellan förutsägelser genererade av den universella modellen och litteraturisotermer avslöjade kraften i det nya tillvägagångssättet. Inte bara matchade de teoretiska data de uppmätta experimenten för alla sex isotermkategorier, men flera toppar dök upp i energifördelningsdiagrammen när heterogena förhållanden detekteras - parametrar som kan visa sig vara avgörande för utveckling av innovativa material med finjusterade sorptionsförmåga.
"Varje adsorbent-adsorbatpar har sin egen distinkta energidistributionsfunktion, som gör att vi kan fånga all information i isotermerna, " förklarar Ng. "Materialforskare bör kunna använda tekniker som försurning för att utöka porstorlekarna i metallorganiska ramverk och förändra deras energifördelning för att öka upptaget."
