Onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf en de Technische Universiteit van Dresden hebben het wateradsorptiemechanisme in bepaalde microporeuze materialen ontrafeld – de zogenaamde hiërarchische metaal-organische raamwerken (MOF’s) – terwijl ze deze op atomaire schaal onderzochten.

Hun bijzondere eigenschappen werden pas ongeveer 25 jaar geleden ontdekt en leidden al snel tot een reputatie als ‘wondermaterialen’ – die, zoals later bleek, zelfs water uit de lucht kunnen halen. Hoe het materiaal dit bereikt beschrijven de onderzoekers in ACS Applied Materials &Interfaces .

"Deze zeer bijzondere materialen zijn zeer poreuze vaste stoffen gemaakt van metalen of metaal-zuurstofclusters die op een modulaire manier met elkaar verbonden zijn door pijlers van organische chemicaliën. Deze 3D-opstelling leidt tot netwerken van holtes die doen denken aan de poriën van een keukenspons. Het is precies deze holtes waarin we geïnteresseerd zijn", zegt dr. Ahmed Attallah van het HZDR's Institute of Radiation Physics.

Deze poriën op nanoschaal vormen de basis voor de overvloed aan potentiële toepassingen, variërend van gasopslag tot scheidingstechnologie, maar ook van katalyse en nieuwe sensoren – en waterwinning als een van de meest veelbelovende.

De leegte onderzoeken

Het team synthetiseerde twee MOF's op basis van de metalen zirkonium en hafnium, op hun plaats gehouden door hetzelfde organische raamwerk. Vervolgens gingen de wetenschappers dieper in op de kenmerken van de verkregen materialen door een verscheidenheid aan complementaire technieken toe te passen.

Enerzijds bepaalden ze hoeveel stikstof of waterdamp er in de poriën van het materiaal kon worden opgesloten. Aan de andere kant hebben ze het exacte mechanisme van wateradsorptie in MOF's nader bekeken, wat tot op heden nog niet goed werd begrepen.

‘Om licht te werpen op het proces hebben we een niet-destructieve techniek gebruikt die bekend staat als positron annihilation lifetime spectroscopie, of kortweg PALS, waarbij een positron een interactie aangaat met elektronen – zijn antideeltjes – waardoor gammastraling wordt vernietigd en vervolgens vrijkomt. worden gedetecteerd”, zegt dr. Andreas Wagner, hoofd van het ELBE Center for High-Power Radiation Sources bij HZDR.

"De tijd tussen de emissie van positronen afkomstig van een radioactieve bron en de daaropvolgende detectie van gammastraling is de levensduur van de positronen. Dit hangt op zijn beurt af van hoe snel ze elektronen ontmoeten."

Als er holtes in het materiaal aanwezig zijn, zoals nanoporiën, hebben positronen en elektronen de neiging zogenaamde positroniumatomen te vormen, waarbij elk één elektron en één positron rond hun gemeenschappelijk massamiddelpunt cirkelen en recht op elkaar af gaan totdat het paar deeltjes is verstrooid of vernietigd, afhankelijk van wat zich het eerst voordoet.

Omdat deze exotische atomen langer in grotere holtes leven, onthullen ze informatie over de grootte en verspreiding van de holte. De onderzoekers ontdekten dat de wateradsorptie in de MOF's voornamelijk werd bepaald door een stapsgewijs vulmechanisme, inclusief de vorming van vloeistofbruggen in de poriën. De wateradsorptie werd beïnvloed door de vorming van waterclusters op het poriënoppervlak, waardoor kleine luchtspleten in de poriën ontstonden.

Woestijnlucht eruit persen

"Vanwege de nauwe chemische gelijkenis van de metalen zirkonium en hafnium hebben de resulterende metaal-organische raamwerken exact dezelfde poriegroottes en hoge chemische stabiliteit, waardoor we tegelijkertijd de validiteit van onze methode kunnen evalueren", zegt prof. Stefan Kaskel, Leerstoel Anorganische Chemie I aan de Technische Universiteit van Dresden, legt uit. Het onderzoek van zijn groep richt zich op de ontwikkeling van nieuwe functionele materialen voor verschillende toepassingen, zoals energieopslag en -conversie, omgevingskatalyse en wateradsorptie.

Op basis van de resultaten concluderen de onderzoekers dat hun onderzoek nieuwe inzichten biedt in het wateradsorptiemechanisme in hiërarchische MOF's, wat zou kunnen helpen bij het ontwerpen van betere materialen voor het winnen van water uit de lucht, wat vooral belangrijk is in droge gebieden. Door MOF's aan de lucht bloot te stellen, kunnen ze watermoleculen uit de atmosfeer opvangen. Vervolgens kan het water, door warmte toe te passen of de druk te verlagen, worden vrijgegeven en gebruikt.

De wetenschappers denken alvast verder vooruit:is de technologie geschikt voor commerciële oplossingen? Zoals gerapporteerd door een andere groep in het veld, geeft 1,3 liter water per kilogram MOF per dag uit woestijnlucht een idee van de omvang van de momenteel praktisch haalbare opbrengst.

Om tot een algehele duurzame oplossing te komen, moeten echter naast de opbrengst ook andere factoren in aanmerking worden genomen. "Om de waterwinning met MOF's op te schalen, moeten ze in grote hoeveelheden goedkoop toegankelijk zijn. Bovendien vereisen traditionele syntheseroutes grote hoeveelheden organische oplosmiddelen of de aanschaf van dure bouwstenen", wijzen Kaskel en Attallah op mogelijke valkuilen bij dit streven.

Om deze te vermijden zullen recentelijk ontwikkelde, zogenaamde "groene" syntheseprocedures in de toekomst aan kracht winnen, waardoor een milieuvriendelijke productie van MOF's wordt gegarandeerd.

Het team uit Dresden houdt zich al aan dit idee door de principes van de groene chemie te volgen, zoals het gebruik van water als oplosmiddel, het uitvoeren van reacties bij energiebesparende lage temperaturen en het aanboren van afvalmaterialen als bronnen van metalen en organische linkers.

Meer informatie: Ahmed G. Attallah et al., Het ontrafelen van het wateradsorptiemechanisme in hiërarchische MOF's:inzichten uit levenslange in-situ positron-annihilatiestudies, Toegepaste materialen en interfaces van ACS (2023). DOI:10.1021/acsami.3c10974

Journaalinformatie: Toegepaste materialen en interfaces van ACS

Aangeboden door Helmholtz Vereniging van Duitse Onderzoekscentra