Att separera koldioxidmolekyler från gasblandningar kräver material med extremt fina porer. Forskare från Friedrich Schiller University Jena, i samarbete med universitetet i Leipzig och universitetet i Wien, har nu hittat ett nytt sätt att göra detta.
De omvandlade kristallina metallorganiska ramverksföreningar till glas. Därmed lyckades de minska materialets porstorlek till den punkt där det blir ogenomträngligt för vissa gasmolekyler. De har rapporterat sina fynd i tidskriften Nature Materials .
"Egentligen ansågs dessa glasliknande material tidigare vara icke-porösa", förklarar Dr Alexander Knebel från Otto Schott Institute vid University of Jena, som ledde detta arbete. "Utgångsmaterialet, d.v.s. de kristallina ramverksföreningarna har mycket tydligt definierade porer och även en stor inre yta. Därför forskas de också som material för att lagra eller separera gaser. Denna definierade struktur går dock förlorad under smältning och kompression. Och vi utnyttjade det."
"Metallorganiska ramverksföreningar består av metalljoner sammanlänkade av stela organiska molekyler", säger ledaren för den yngre forskargruppen. "I utrymmena i dessa tredimensionella, regelbundna galler kan gasmolekyler lätt röra sig. Under glasbearbetningen komprimerade vi materialet. Enkelt uttryckt kunde vi pressa ner porerna till önskad storlek."
Även om den övergripande strukturen av kristallen försvinner under smältning - delar av kristallen behåller sin struktur. "I tekniska termer betyder detta:under övergången från kristall till glas går materialets ordning på lång räckvidd förlorad, men ordningen på kort räckvidd bevaras", förklarar Knebel.
Oksana Smirnova, doktorand vid universitetet i Jena och huvudförfattaren till verket, tillägger:"När vi nu smälter och komprimerar detta material förändras också de porösa mellanrummen." Som ett resultat skapas kanaler med förträngningar – eller till och med återvändsgränder – och följaktligen passar vissa gaser helt enkelt inte längre igenom.
På så sätt uppnådde gruppen pordiametrar på 0,27 till 0,32 nanometer i materialet, med en noggrannhet på en hundradels nanometer. "Till exempel:Det här är ungefär 10 000 gånger tunnare än ett människohår och 100 gånger tunnare än en dubbelspiral med DNA. Med denna porstorlek kunde vi separera till exempel koldioxid från etan", förklarar Knebel. "Vårt genombrott på området är förmodligen den höga kvaliteten på glasögonen och den exakta justerbarheten av porkanalerna. Och våra glasögon är också flera centimeter stora."
"Ett mål med detta arbete är att utveckla ett glasmembran för miljötillämpningar. För att separera koldioxid från gaser är utan tvekan en av vår tids stora tekniska utmaningar", säger Knebel. "Därför är jag också tacksam ... för det enastående engagemanget från min doktorand Oksana Smirnova, som bidrog väsentligt till framgången för detta arbete."
Mer information: Oksana Smirnova et al, Exakt kontroll över gastransporterande kanaler i zeolitiska imidazolat ramglas, Naturmaterial (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01738-3
Journalinformation: Naturmaterial
Tillhandahålls av Friedrich Schiller University of Jena
