Innovatieve materialen die metaalorganische raamwerken (MOF's) worden genoemd, zouden veel veelzijdiger kunnen worden na onderzoek dat aantoont dat ze als vloeistoffen kunnen worden gemanipuleerd.

MOF's zijn zeer poreuze kristallijne vaste stoffen met metaalionen of metaalclusters verbonden door organische (op koolstof gebaseerde) linkergroepen. Door deze onderdelen te variëren, kan een enorme verscheidenheid aan vaste stoffen ontstaan ​​met interne poriën die geselecteerde moleculen kunnen opsluiten of chemische reacties kunnen katalyseren.

"Deze kristallijne materialen zijn moeilijk te verwerken, maar we hebben een manier ontwikkeld om ze op te lossen, " zegt Anastasiya Bavykina van het onderzoeksteam van het KAUST Catalysis Center.

De KAUST-onderzoekers produceerden membranen bestaande uit de MOF ingebed in een polymeer, waarvan ze zeggen dat ze uitstekende prestaties kunnen leveren bij de uitdagende scheiding van propyleengas van propaan.

"Dit is revolutionair, ", zegt Bavykina. Propyleen is een belangrijke grondstof voor de chemische industrie; het wordt gebruikt om het polymeer polypropyleen te maken dat in veel producten wordt gebruikt. Het kan ook worden omgezet in andere polymeren en industrieel bruikbare chemicaliën, maar het moet eerst worden gescheiden van het propaan waarmee het gewoonlijk wordt gemengd.

"Als de huidige energie-intensieve propaan-propyleen scheidingstechnologieën, op basis van distillatie, zou kunnen worden vervangen door onze MOF-membraantechnologie, dan zou dit ongeveer 0,1 procent van het wereldwijde energieverbruik kunnen besparen, " merkt co-auteur Shuvo Datta op.

Een uitdaging voor het team was om een ​​kristallijne MOF zich als een poreuze vloeistof te laten gedragen. Het team ontdekte hoe het oppervlak van relatief grote MOF-nanodeeltjes kan worden gewijzigd met geschikte chemische groepen. Door deze "oppervlakte-functionalisatie" konden de nanodeeltjes stabiele dispersies vormen in een vloeibaar oplosmiddel.

Een andere uitdaging was om ervoor te zorgen dat de interne poriën van de MOF's leeg blijven en in staat zijn om de gewenste gasmoleculen op te nemen en toe te laten. De poreuze ruimten en de oplosmiddelmoleculen moeten zorgvuldig worden gecontroleerd om te voorkomen dat het oplosmiddel de gaten opvult.

"Het is ook niet eenvoudig om daadwerkelijk aan te tonen dat een vloeistof poreus is, ", vult Bavykina aan. De onderzoekers moesten hiervoor een nieuwe experimentele opstelling ontwikkelen.

De MOF-dispersies in de vloeibare fase kunnen gasmengsels scheiden die er doorheen worden geborreld, maar het team bereikte meer flexibiliteit door een MOF op te nemen in hun flexibele en robuuste polymeermembranen. Hierdoor kon een continustroomsysteem tot 30 dagen draaien, het produceren van 97 procent zuiver propyleen uit een 50/50 propaan-propyleenmengsel dat effectief door het membraan werd gefiltreerd.

Het team wil nu hun procedure opschalen om het commerciële potentieel ervan aan te tonen. Ze zullen het ook proberen toe te passen op andere belangrijke industriële gasscheidingsprocessen.

De studie is gepubliceerd in Natuurmaterialen .