En av mänsklighetens största utmaningar just nu är att minska våra utsläpp av växthusgaser till atmosfären. Forskargrupper världen över försöker hitta sätt att effektivt separera koldioxid (CO ₂ ) från gasblandningen från industrianläggningar och kraftverk. Bland de många strategierna för att åstadkomma detta, membranseparation är en attraktiv, billigt alternativ; det innebär att man använder polymermembran som selektivt filtrerar CO ₂ från en blandning av gaser.

Nyligen genomförda studier har fokuserat på att lägga till låga mängder metall-organiska ramverk (MOF) i polymermatriser för att förbättra deras egenskaper. MOF är föreningar gjorda av ett metalliskt centrum bundet till organiska molekyler på ett mycket ordnat sätt, att producera porösa kristaller. När det läggs till polymermembran, MOF:er kan förbättra deras gasseparationsprestanda såväl som deras stabilitet och tolerans mot tuffa förhållanden. Dock, en av huvudfrågorna för att integrera MOF i polymermembran är att hitta kompatibla föreningar med gynnsamma interaktioner, såsom kovalenta bindningar. Tyvärr, de som har prövats kräver mycket dyr syntes och material.

För att ta itu med denna fråga, ett internationellt team av forskare genomförde nyligen en studie som publicerades i ACS -tillämpade material och gränssnitt . Leds av professor Tae-Hyun Kim från Incheon National University, Korea, forskarna fokuserade på att införliva en zirkoniumbaserad MOF kallad 'UiO-66' i en multipolymermatris som de tidigare hade utvecklat. De uppnådde detta genom att modifiera MOF:erna så att de lätt skulle bilda kovalenta bindningar med huvudsträngarna i polymermatrisen.

Forskarna syntetiserade UiO-66-NB, som är UiO-66 med norbornenheter, en liten organisk molekyl. Genom en enkel syntesprocess, norborneneenheter kan bli länkar i huvudpolymerkedjorna i matrisen. På det här sättet, norbornen i UiO-66-NB införlivar MOF:erna i matrisen, som professor Kim förklarar, "Istället för att helt enkelt blanda MOF och polymerer, vi hittade en ny och effektiv metod för att införliva MOF i polymermatrisen via kovalenta bindningar; detta stärker interaktionerna vid gränssnittet mellan båda föreningarna och skapar defektfria polymermatriser. "

Egenskaperna och prestandan hos de MOF-fyllda polymermembranen var enastående:deras permeabilitet mot CO ₂ förbättrades utan att det påverkade dess selektivitet nämnvärt. Deras CO ₂ /N ₂ separationsprestanda närmade sig den teoretiska Robeson -övre gränsen under 2019. Dessutom, membranen var inte bara anmärkningsvärt toleranta mot hårda förhållanden som högt tryck eller temperaturomkoppling, men också mycket stabil över långa perioder på nästan ett år.

Dessa prestationer är ett steg i rätt riktning mot att ta bort de hinder för kommersialisering som dessa polymermembran står inför för industriella tillämpningar. Spännande över resultaten, Professor Kim säger, "Vi tror att våra resultat kommer att öppna upp nya strategier för att bedöma potentiella gränssnitt mellan MOF och polymermatriser för högpresterande gasseparation."

Låt oss hoppas att denna teknik fortsätter att utvecklas så att vi kan behålla överskott av CO ₂ bort från vår atmosfär!