Onderzoekers van de groep van Dr. Stefania Grecea aan de Onderzoeksprioriteit Duurzame Chemie van de Universiteit van Amsterdam hebben een manier bedacht om de praktische prestaties van metaal-organische raamwerken (MOF's) te verbeteren. Door blaadjes van de zwarte populier als sjabloon te gebruiken, ze produceerden hiërarchische poreuze structuren van gemengde metaaloxidematerialen die kunnen dienen als ondersteuning voor MOF-kristallen. In een recente editie van het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces , doctoraat student Yiwen Tang, in samenwerking met dr. David Dubbeldam van de UvA-groep Computational Chemistry, demonstreren de unieke adsorptie- en scheidingseigenschappen van het bio-geïnspireerde ontwerp.

Het scheiden van water-alcoholmengsels is een van de meest uitdagende problemen bij de praktische toepassing van bio-ethanol als duurzame brandstof. Geproduceerd uit landbouwgrondstoffen, algenkwekerijen of de vergisting van melasse, bio-ethanol bevat zowel water als methanol als onzuiverheden. Het verkrijgen van bio-ethanol van brandstofkwaliteit uit deze water-alcoholmengsels met traditionele destillatie is niet praktisch omdat water en ethanol een zogenaamd azeotroop mengsel vormen.

Het kosteneffectieve en groene alternatief voor distillatie is adsorptieve scheiding. Bij de productie van biobrandstoffen deze methode berust op de ontwikkeling van adsorberende materialen die zeer selectief zijn ten opzichte van ethanol of de onzuiverheden in het mengsel. Aan het onderzoekszwaartepunt Duurzame Chemie van de Universiteit van Amsterdam, de groep van Dr. Stefania Grecea ontwikkelt synthetische benaderingen voor het ontwerpen van poreuze, moleculaire materialen met dergelijke selectieve adsorptie-eigenschappen.

Adsorberende materialen

Geschikte adsorberende materialen voor scheidingstoepassingen moeten een geschikte poreuze structuur en een hoog specifiek oppervlak hebben om zowel de adsorptie als de diffusie van specifieke moleculen te vergemakkelijken. Een specifieke klasse van adsorberende materialen zijn metaal-organische raamwerken (MOF's). Ze hebben een hoog specifiek gebied en door de grootte en functionaliteit van hun poriën op moleculair niveau af te stemmen, specifieke adsorptieselectiviteiten kunnen worden bereikt.

Echter, praktische toepassing hangt ook af van hun macroscopische eigenschappen. Vaak worden MOF's gesynthetiseerd als poeders van kleine kristallen. Deze kunnen niet direct in industriële toepassingen worden gebruikt omdat ze een beperkte pakkingsdichtheid en hoge diffusiebarrières hebben. Een oplossing is om MOF's te vormen als korrels, pellets of monolieten, of om ze te verspreiden in dunne films, membranen maken. Echter, de bij dergelijke vormgevingsmethoden toegepaste druk leidt tot verlies van kristalliniteit en daardoor tot verminderde activiteit of zelfs inactivering van de MOF-materialen. Het is dan ook nog een hele uitdaging om de meest geschikte verwerkingsmethode van MOF's te vinden.

Bladeren kijken

Op zoek naar manieren om de MOF-prestaties te verbeteren, de Amsterdamse onderzoekers wendden zich tot de natuur, vooral, tot groene plantenbladeren. Wetenschappers hebben natuurlijke bladeren al gebruikt als sjablonen om heterogene fotokatalysatoren te ontwerpen, omdat ze zo zijn gestructureerd dat ze efficiënt licht kunnen oogsten. Dergelijke kunstmatige bladstructuren zijn zeer effectief gebleken voor de productie van waterstof.

De UvA-onderzoekers lieten zich inspireren door het natuurlijke bladnerfsysteem dat is ontwikkeld voor het transporteren van waterige vloeistoffen. Het is een hiërarchisch poreus systeem dat bestaat uit vele vezels en vaten van verschillende groottes. In scheidingstechnologie, hiërarchisch poreuze materialen met poriën met meerdere niveaus vertonen vaak verbeterde adsorptieprestaties in vergelijking met poreuze materialen van uniforme grootte.

Daarom, de onderzoekers synthetiseerden een gemengd metaaloxide-materiaal met een hiërarchische poreuze structuur met behulp van een sol-gel-methode waarbij natuurlijke bladeren van de zwarte populier (Populous nigra) als sjabloon werden gebruikt. Dit kunstmatige blad van gemengd oxide werd vervolgens gebruikt als drager voor het creëren van een homogeen gedispergeerde laag MOF-kristallen.

Gedetailleerde morfologische studies toonden aan dat het resulterende composietmateriaal inderdaad een hiërarchische poreuze structuur heeft en dat MOF-kristallen met een smalle grootteverdeling homogeen verspreid zijn aan het binnenoppervlak van de hiërarchische poriën.

Prestatiestudies

In het licht van toepassing in de zuivering van bio-ethanol, Yiwen Tang bestudeerde het water, adsorptie-eigenschappen van methanol en ethanol van het nieuwe materiaal. Hij stelde vast dat de selectiviteit varieert in de volgorde methanol> ethanol> water. Daaropvolgende moleculaire simulaties uitgevoerd door Dr. David Dubbeldam met equimolaire ethanol-methanol mengsels toonden aan dat methanoladsorptie zeer selectief is in het lagedrukbereik. Bovendien, het materiaal is effectief in het scheiden van water-ethanolmengsels waarbij ethanol selectief wordt geadsorbeerd in het lagedrukbereik, terwijl water selectief wordt geadsorbeerd bij hoge drukken.

De onderzoekers concluderen dat hun bio-geïnspireerde synthetische benadering zeer relevant is, niet alleen voor moleculaire scheidingstoepassingen, maar ook als een algemene strategie voor het ontwerpen van MOF-composietmaterialen voor verschillende toepassingen, inclusief katalyse en moleculaire detectie.