En omvänd form av värd-gäst-kemi kan försämra hur den kemiska industrin närmar sig utmanande, energikrävande molekylära separationer.

Molekylära burar, där gästmolekyler klamrar sig fast vid burarnas yttre ytor istället för att komma in i en inre hålighet, skulle kunna minska miljöpåverkan från att separera blandningar av industrikemikalier, forskning från KAUST tyder på.

Molekylära separationer som utförs i stor skala av den kemiska industrin står tillsammans för så mycket som 15 procent av den globala energiförbrukningen. En av de mest energikrävande separationerna involverar bensenderivat, kallas xylener, som produceras som en blandning av tre isomera former som måste separeras för sina olika industriella användningar. Den mest värdefulla isomeren, para-xylen, är en nyckelingrediens i tillverkning av polyester och polyetentereftalat (PET) polymer.

"Konventionellt, dessa isomerer separeras med energikrävande metoder, såsom fraktionerad kristallisation, " säger Basem Moosa, en forskare i Niveen Khashabs labb. "Alternativa tekniker som kräver mindre värme skulle minska koldioxidavtrycket och den totala föroreningen av xylenseparation, " han lägger till.

Khashab och hennes team har undersökt möjligheten att separera xylenisomerer med burliknande material, som selektivt absorberar en xylenisomer i blandningen, som en energieffektiv alternativ separationsteknik. Tidigare forskning har fokuserat på porösa oorganiska material som kallas zeoliter, men bearbetningsutmaningar och zeoliters begränsade selektivitet har något begränsat deras antagande av industrin.

I deras senaste verk, KAUST -forskare vände sig till stabila, enkelt tillverkade organiska burmaterial som införlivade kvävebaserade azogrupper i sin struktur. Materialen fångade para-xylenisomeren med hög selektivt. "Jämfört med andra organiska material, den visade en av de högsta adsorbenterna för xylenseparationer, " säger Aliyah Fakim, en Ph.D. elev i Khashabs team. Slående, dock, para-xylenadsorptionen involverade inte att isomeren kom in i azo-buren. Istället, isomeren fastnat på utsidan av buren, bildar kristaller i vilka varje para-xylenmolekyl var omgiven av fyra burmolekyler.

Teamet planerar att förfina prestandan hos de icke-porösa organiska burarna genom att sänka aktiveringstemperaturen och minska tiden det tar att absorbera och sedan släppa ut para-xylenet när det extraherats från blandningen.

Dock, konceptet med separation med icke-porösa organiska burar skulle kunna användas för många industriella kemiska separationer, sänka energibehovet för dessa stora industriella processer, Khashab noterar. "Vi tror att dessa strukturer kommer att bli en nästa generation, störande teknik för många energikrävande kemiska separationer, " säger hon. "De organiska burarna är billiga att skala upp jämfört med andra organiska material, och mest intressant, de kan enkelt ställas in för selektiva separationer, till skillnad från deras oorganiska zeolitmotsvarigheter."