Rice University materialforskare utvecklade en snabb, billig, skalbar metod för att tillverka kovalenta organiska ramverk (COF), en klass av kristallina polymerer vars avstämbara molekylstruktur, stora ytarea och porositet kan vara användbar i energitillämpningar, halvledarenheter, sensorer, filtreringssystem och läkemedelstillförsel.

"Vad som gör dessa strukturer så speciella är att de är polymerer men de ordnar sig i en ordnad, upprepande struktur som gör det till en kristall", säger Jeremy Daum, doktorand i Rice och huvudförfattare till en studie publicerad i ACS Nano . "De här strukturerna ser lite ut som hönsnät – de är sexkantiga galler som upprepar sig på ett tvådimensionellt plan och sedan staplas de ovanpå sig själva, och det är så du får ett skiktat 2D-material."

Alec Ajnsztajn, en doktoralumn från Rice och studiens andra huvudförfattare, sa att syntestekniken gör det möjligt att producera beställda 2D kristallina COFs på rekordtid med hjälp av ångavsättning.

"Många gånger när du gör COFs genom lösningsbearbetning, finns det ingen anpassning på filmen," sa Ajnsztajn. "Denna syntesteknik gör att vi kan kontrollera arkets orientering och se till att porerna är i linje, vilket är vad du vill ha om du skapar ett membran."

Möjligheten att kontrollera porstorleken är användbar i separatorer, där COF kan fungera som membran för avsaltning och potentiellt hjälpa till att ersätta energiintensiva processer som destillation. Inom elektronik kan COFs användas som batteriseparatorer och organiska transistorer.

"COFs har potential att vara användbara i en mängd olika katalytiska processer ⎯ du kan till exempel använda COFs för att bryta ner koldioxid till användbara kemikalier som eten och myrsyra," sa Daum.

Ett av hindren som hindrar COF från att användas mer allmänt är att produktionsmetoder som involverar lösningsbearbetning är längre och svårare att hantera i industriella miljöer.

"Det kan ta tre till fem dagars reaktionstid att producera pulvren för de lösningar som behövs för att generera COFs," sa Ajnsztajn. "Vår metod är mycket snabbare. Efter månader av optimering lyckades vi producera högkvalitativa filmer på bara 20 minuter eller mindre."

För att se till att deras filmer uppvisade rätt molekylstruktur, gick Daum och Ajnsztajn till Argonne National Laboratory, där de analyserade sina prover med hjälp av Advanced Photon Source, och arbetade kontinuerligt i skift i 71 timmar.

"Vi visste att det var dags att gå, men vi var så nöjda med resultatet," sa Daum. "Vi var tvungna att gå till ett nationellt labb eftersom den här tekniken var det enda sättet att mäta kvaliteten på våra filmer och säkerställa att vi hade vidtagit rätt åtgärder för att optimera dem."

Mikroskopistudier gav insikt i hur COF-kristaller växer och hjälpte till att visa att temperaturer på upp till 340°C (~644°F) kunde användas för att syntetisera organiska molekyler.

"Medan vi arbetade med det här projektet har vi hört från många människor som trodde att uppvärmning av organiska molekyler till så höga temperaturer skulle förhindra att de rätta reaktionerna inträffar, men vad vi fann är att kemisk ångavsättning faktiskt är ett gångbart sätt att skapa organiskt material," sa Ajnsztajn.

För att göra COFs byggde Daum och Ajnsztajn en ad-hoc-reaktor av kasserade delar av labbutrustning och annat billigt, lättillgängligt material.

"Hela den här processen var något som var väldigt billigt att montera," sa Daum. "Att etablera en robust, skalbar process för att producera en mängd olika COF-filmer kommer förhoppningsvis att möjliggöra en bättre tillämpning av COF i katalys, energilagring, membran och mer."

Mer information: Jeremy P. Daum et al, Lösningar är problemet:beställda tvådimensionella kovalenta organiska ramfilmer genom kemisk ångdeposition, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c06142

Journalinformation: ACS Nano

Tillhandahålls av Rice University