Wetenschap
Nieuwe metaalvrije poreuze raamwerkmaterialen kunnen potentieel hebben voor waterstofopslag
Onderzoekers van de Universiteit van Liverpool en de Universiteit van Southampton hebben computationele ontwerpmethoden gebruikt om niet-metaalhoudende organische poreuze raamwerkmaterialen te ontwikkelen, met potentiële toepassingen op gebieden als katalyse, wateropvang of waterstofopslag.
Dat blijkt uit een onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Nature gebruikte het onderzoeksteam goedkope en overvloedige niet-metaalhoudende elementen, zoals chloride-ionen, om niet-metaal organische poreuze raamwerken (N-MOF's) te ontwerpen.
De nieuwe materialen bieden een alternatief voor metaal-organische raamwerken (MOF's), een klasse van poreuze, kristallijne materialen die bestaan uit metalen verbonden door organische linkerverbindingen.
Tot nu toe zijn er ruim 95.000 MOF's ontdekt met een breed scala aan toepassingen op gebieden als katalyse, gasscheiding en energieopslag.
De nieuwe metaalvrije poreuze raamwerkmaterialen moeten nog volledig worden onderzocht, maar zijn al vroeg veelbelovend gebleken voor het afvangen van jodium, wat belangrijk is in de nucleaire industrie. Andere toepassingsgebieden zijn onder meer protongeleiding, katalyse, wateropvang en waterstofopslag.
Het onderzoeksteam denkt dat het in de toekomst mogelijk moet zijn om de strategie uit te breiden naar materialen waarbij organische linkers verbonden zijn door ionen die bestaan uit andere veel voorkomende niet-metaalelementen zoals stikstof, zuurstof en zwavel.
Het onderzoek maakte gebruik van complementaire expertise op het gebied van de ontdekking van nieuwe materialen en robotica van de Universiteit van Liverpool, naast expertise op het gebied van computationele modellering van de Universiteit van Southampton.
Professor Andrew Cooper van de afdeling Chemistry and Materials Innovation Factory van de Universiteit van Liverpool in Liverpool zei:"Dit werk opent een scala aan mogelijkheden. Onze aanpak gebruikt niet-metaalanionen als knooppunten om raamwerken te bouwen in plaats van metaalkationen in MOF's. Er zijn meer anionen beschikbaar dan er metalen in het periodiek systeem zijn, dus de ruimte om naar nieuwe materialen te zoeken is enorm."
Er is echter een al lang bestaand probleem:metalen knooppunten in MOF's sturen de raamwerkstructuur, net als verbindingen in een steiger. Deze verbindingen hebben een voorspelbare geometrie waardoor MOF's voor specifieke toepassingen kunnen worden ontworpen. Deze 'moleculaire Lego'-aanpak werkt niet voor niet-metaalzouten omdat de interacties veel minder directioneel zijn.
Professor Graeme Day van de School of Chemistry van de Universiteit van Southampton zei:"We hebben de ontdekking van deze materialen begeleid met behulp van een computermethode die kristalstructuurvoorspelling wordt genoemd.
“Hierdoor kunnen we voorspellen welke niet-metaalzouten stabiele poreuze raamwerken zullen vormen, en welke zouten niet, en kunnen we anticiperen op de precieze kristalstructuur voorafgaand aan experimenteel werk. We hoeven geen specifieke geometrie aan te nemen voor de verbindingen in de raamwerk, dat een fundamenteel principe is in de MOF-chemie."
Het onderzoek maakt deel uit van een breder onderzoeksprogramma dat tot doel heeft de manier te herdefiniëren waarop we nieuwe materialen ontdekken door opkomende technieken op het gebied van computationele voorspelling, kunstmatige intelligentie en robotica te combineren.