Forskare från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf och Dresdens tekniska universitet har avslöjat vattenadsorptionsmekanismen i vissa mikroporösa material – så kallade hierarkiska metallorganiska ramverk (MOF) – samtidigt som de undersökt dem på atomär skala.
Deras speciella egenskaper upptäcktes för bara cirka 25 år sedan och ledde snabbt till ett rykte som "mirakelmaterial" - som, som det visade sig, till och med kan skörda vatten från luft. Forskarna beskriver hur materialet uppnår detta i ACS Applied Materials &Interfaces .
"Dessa mycket speciella material är mycket porösa fasta ämnen gjorda av metaller eller metall-syrekluster som är sammankopplade på ett modulärt sätt av pelare av organiska kemikalier. Detta 3D-arrangemang leder till nätverk av håligheter som påminner om porerna i en kökssvamp. Det är precis dessa håligheter som vi är intresserade av", säger Dr Ahmed Attallah från HZDR:s Institute of Radiation Physics.
Dessa porer i nanoskala är grunden för ymnighetshornet av potentiella applikationer, allt från gaslagring till separationsteknik samt katalys och nya sensorer – och vattenskörd som en av de mest lovande.
Teamet syntetiserade två MOF baserade på metallerna zirkonium och hafnium, som hölls på plats av samma organiska ramverk. Sedan tittade forskarna djupare på egenskaperna hos de erhållna materialen genom att använda en mängd olika komplementära tekniker.
Å ena sidan bestämde de hur mycket kväve eller vattenånga som kunde fångas i materialets porer. Å andra sidan tittade de närmare på den exakta mekanismen för vattenadsorption i MOF, som hittills inte var väl förstått.
"För att belysa processen använde vi en icke-förstörande teknik som kallas positronförintelselivstidsspektroskopi, eller kort sagt PALS, där en positron kommer att interagera med elektroner - dess antipartiklar - och därigenom förinta och sedan frigöra gammastrålar som kan upptäckas", säger Dr. Andreas Wagner, chef för ELBE Center for High-Power Radiation Sources vid HZDR.
"Tiden mellan emissionen av positroner som härrör från en radioaktiv källa och den efterföljande upptäckten av gammastrålar är positronernas livstid. Detta beror i sin tur på hur snabbt de möter elektroner."
Om hålrum finns i materialet, som nanoporer, tenderar positroner och elektroner att bilda så kallade positroniumatomer, med en elektron och en positron vardera, som kretsar runt deras gemensamma masscentrum och går rakt mot varandra tills partikelparet är antingen spridda eller förintade, beroende på vad som kommer först.
Eftersom dessa exotiska atomer lever längre i större tomrum avslöjar de information om tomrummets storlek och fördelning. Forskarna fann att vattenadsorptionen i MOF främst styrdes av en stegvis fyllningsmekanism, inklusive bildandet av vätskebryggor i porerna. Vattenadsorptionen påverkades av bildandet av vattenkluster på porytan, vilket skapade små luftgap i porerna.
"På grund av den nära kemiska likheten mellan metallerna zirkonium och hafnium, har de resulterande metallorganiska ramverken exakt samma porstorlekar och hög kemisk stabilitet, vilket gör att vi samtidigt kan utvärdera giltigheten av vår metod," Prof. Stefan Kaskel. Ordförande för oorganisk kemi I vid Dresdens tekniska universitet, förklarar. Hans grupps forskning fokuserar på utvecklingen av nya funktionella material för olika applikationer, såsom energilagring och omvandling, miljökatalys och vattenadsorption.
Baserat på resultaten drar forskarna slutsatsen att deras studie ger nya insikter om vattenadsorptionsmekanismen i hierarkiska MOF:er, vilket kan hjälpa till att designa bättre material för vattenskörd från luft, vilket är särskilt viktigt i torra områden. Genom att exponera MOF för luft kan de fånga upp vattenmolekyler från atmosfären. Sedan, genom att applicera värme eller minska trycket, kan vattnet släppas ut och användas.
Forskarna tänker redan längre fram:Är tekniken lämplig för kommersiella lösningar? Som rapporterats av en annan grupp på fältet ger 1,3 liter vatten per kilo MOF per dag från ökenluften en uppfattning om storleken på det för närvarande praktiskt uppnåbara utbytet.
Men för att få en övergripande hållbar lösning måste andra faktorer beaktas utöver avkastningen. "För att skala upp vattenskörden med MOF bör de vara billigt tillgängliga i stora mängder. Dessutom kräver traditionella syntesvägar stora mängder organiska lösningsmedel eller förvärv av dyra byggstenar", pekar Kaskel och Attallah på möjliga fallgropar i denna strävan.
För att undvika dem kommer nyligen utvecklade, så kallade "gröna" syntesförfaranden att ta fart i framtiden, vilket säkerställer en miljövänlig produktion av MOF.
Teamet från Dresden ansluter sig redan till denna idé genom att följa principerna för grön kemi, som att använda vatten som lösningsmedel, köra reaktioner vid energibesparande låga temperaturer och tappa avfallsmaterial som källor till metaller och organiska länkar.
Mer information: Ahmed G. Attallah et al, Unraveling the Water Adsorption Mechanism in Hierarchical MOFs:Insights from In Situ Positron Annihilation Lifetime Studies, ACS Applied Materials &Interfaces (2023). DOI:10.1021/acsami.3c10974
Journalinformation: ACS-tillämpade material och gränssnitt
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
