Forskare vid gruppen av Dr. Stefania Grecea vid universitetet i Amsterdams forskningsprioritet för hållbar kemi har utarbetat ett sätt att förbättra den praktiska prestandan hos metall-organiska ramverk (MOF). Genom att använda löv från den svarta poppeln som mall, de producerade hierarkiska porösa strukturer av blandade metalloxidmaterial som kan fungera som stöd för MOF-kristaller. I en ny upplaga av tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt , Ph.D. student Yiwen Tang, i samarbete med Dr. David Dubbeldam från UvA Computational Chemistry-gruppen, demonstrera de unika adsorptions- och separationsegenskaperna hos den bioinspirerade designen.

Separering av vatten-alkoholblandningar är ett av de mest utmanande problemen i samband med den praktiska tillämpningen av bioetanol som ett hållbart bränsle. Tillverkad av jordbruksråvaror, algodlingar eller jäsning av melass, bioetanol innehåller både vatten och metanol som föroreningar. Att erhålla bioetanol av bränslekvalitet från dessa vatten-alkoholblandningar med traditionell destillation är inte praktiskt eftersom vatten och etanol bildar en så kallad azeotrop blandning.

Det kostnadseffektiva och gröna alternativet till destillation är adsorptiv separation. Vid produktion av biobränslen, denna metod bygger på utvecklingen av adsorberande material som är mycket selektiva mot etanol eller föroreningarna i blandningen. Vid universitetet i Amsterdams forskningsprioritetsområde hållbar kemi, gruppen av Dr Stefania Grecea utvecklar syntetiska metoder för att designa porösa molekylärbaserade material med sådana selektiva adsorptionsegenskaper.

Adsorberande material

Lämpliga adsorberande material för separationsapplikationer bör ha en lämplig porös struktur och hög specifik ytarea för att underlätta både adsorption och diffusion av specifika molekyler. En specifik klass av adsorberande material är metall-organiska ramverk (MOF). De har en hög specifik yta och genom att justera storleken och funktionaliteten av deras porer på molekylär nivå, specifika adsorptionsselektiviteter kan uppnås.

Dock, praktisk tillämpning beror också på deras makroskopiska egenskaper. Ofta syntetiseras MOFs som pulver av små kristaller. Dessa kan inte användas direkt i industriella applikationer eftersom de har begränsad packningsdensitet samt höga diffusionsbarriärer. En lösning är att forma MOFs som granulat, pellets eller monoliter, eller för att sprida dem i tunna filmer, skapa membran. Dock, trycket som appliceras i sådana formningsmetoder leder till förlust av kristallinitet och därför till minskad aktivitet eller till och med inaktivering av MOF-materialen. Det är därför fortfarande en ganska stor utmaning att hitta den mest lämpliga bearbetningsmetoden för MOF.

Tittar på löv

På jakt efter sätt att förbättra MOF-prestanda, Amsterdamforskarna vände sig till naturen, särskilt, till gröna växtblad. Forskare har redan använt naturliga löv som mallar för att designa heterogena fotokatalysatorer, eftersom de är strukturerade för att ge effektiv ljusskörd. Sådana konstgjorda bladstrukturer har visat sig vara mycket effektiva för väteproduktion.

UvA-forskarna hämtade sin inspiration från det naturliga bladvensystemet som har utvecklats för att transportera vattenhaltiga vätskor. Det är ett hierarkiskt poröst system som består av många fibrer och kärl av olika storlekar. Inom separationsteknik, hierarkiskt porösa material med flernivåporer uppvisar ofta förbättrad adsorptionsprestanda jämfört med porösa material med jämn storlek.

Därför, forskarna syntetiserade ett blandat metalloxidmaterial med en hierarkisk porös struktur med hjälp av en sol-gel-metod där naturliga blad av svart poppel (Populous nigra) användes som mall. Detta konstgjorda blad av blandad oxid användes sedan som ett stöd för att skapa ett homogent dispergerat lager av MOF-kristaller.

Detaljerade morfologiska studier visade att det resulterande kompositmaterialet verkligen har en hierarkisk porös struktur och att MOF-kristaller med snäv storleksfördelning är homogent fördelade på den inre ytan av de hierarkiska porerna.

Prestationsstudier

Mot bakgrund av tillämpningen inom bioetanolrening, Yiwen Tang studerade vattnet, metanol- och etanoladsorptionsegenskaper hos det nya materialet. Han konstaterade att selektiviteten varierar i ordningen metanol> etanol> vatten. Efterföljande molekylära simuleringar utförda av Dr. David Dubbeldam med användning av ekvimolära etanol-metanolblandningar visade att metanoladsorption är mycket selektivt i lågtrycksområdet. Dessutom, materialet är effektivt för att separera vatten-etanolblandningar med etanol som adsorberas selektivt i lågtrycksområdet, medan vatten adsorberas selektivt vid höga tryck.

Forskarna drar slutsatsen att deras bioinspirerade syntetiska tillvägagångssätt är mycket relevant inte bara för molekylära separationsapplikationer utan också som en allmän strategi för att designa MOF-kompositmaterial för olika applikationer, inklusive katalys och molekylär avkänning.