Forskare vid University of Liverpool och University of Southampton har använt beräkningsmetoder för att utveckla icke-metalliska organiska porösa ramverksmaterial, med potentiella tillämpningar inom områden som katalys, vattenavskiljning eller vätelagring.
I en studie publicerad i tidskriften Nature , använde forskargruppen billiga och rikliga icke-metalliska element, såsom kloridjoner, för att designa icke-metalliska organiska porösa ramverk (N-MOF).
De nya materialen erbjuder ett alternativ till metall-organiska ramverk (MOF), en klass av porösa, kristallina material som består av metaller kopplade till organiska länkföreningar.
Mer än 95 000 MOF har hittills upptäckts med ett brett spektrum av tillämpningar inom områden som katalys, gasseparering och energilagring.
De nya metallfria porösa ramverksmaterialen har ännu inte utforskats fullt ut men har redan visat ett tidigt lovande för fångst av jod, vilket är viktigt inom kärnkraftsindustrin. Andra applikationsområden kan inkludera protonledning, katalys, vattenavskiljning och vätelagring.
Forskargruppen anser att det i framtiden borde vara möjligt att utvidga strategin till material där organiska länkar är sammankopplade av joner som består av andra vanliga icke-metalliska element som kväve, syre och svavel.
Forskningen byggde på kompletterande expertis i upptäckten av nya material och robotik från University of Liverpool tillsammans med expertis inom beräkningsmodellering från University of Southampton.
Professor Andrew Cooper från University of Liverpools Department of Chemistry and Materials Innovation Factory i Liverpool sa:"Detta arbete öppnar upp en rad möjligheter. Vårt tillvägagångssätt använder icke-metalliska anjoner som noder för att bygga ramverk snarare än metallkatjoner i MOFs. Det finns fler anjoner tillgängliga än det finns metaller i det periodiska systemet, så utrymmet för att söka efter nya material är enormt."
Det finns dock ett långvarigt problem:metallnoder i MOF:er styr ramstrukturen, snarare som fogar i en ställning. Dessa leder har en förutsägbar geometri som gör att MOF:er kan utformas för specifika tillämpningar. Den här "molekylära Lego"-metoden fungerar inte för icke-metalliska salter eftersom interaktionerna är mycket mindre riktade.
Professor Graeme Day från University of Southamptons School of Chemistry sa:"Vi vägledde upptäckten av dessa material med hjälp av en beräkningsmetod som kallas förutsägelse av kristallstruktur.
"Detta gör det möjligt för oss att förutsäga vilka icke-metallsalter som kommer att bilda stabila porösa ramverk, vilka salter som inte kommer att göra det, och att förutse den exakta kristallstrukturen innan experimentellt arbete. Vi behöver inte anta en specifik geometri för lederna i lederna. ramverk, vilket är en grundläggande princip i MOF-kemi."
Forskningen är en del av ett bredare forskningsprogram som syftar till att omdefiniera hur vi upptäcker nya material genom att kombinera nya tekniker inom beräkningsförutsägelse, artificiell intelligens och robotik.
Mer information: Andrew Cooper, Porösa isoretikulära icke-metalliska organiska ramverk, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07353-9. www.nature.com/articles/s41586-024-07353-9
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of Liverpool
