Voor het scheiden van kooldioxidemoleculen uit gasmengsels zijn materialen nodig met extreem fijne poriën. Onderzoekers van de Friedrich Schiller Universiteit Jena hebben, in samenwerking met de Universiteit van Leipzig en de Universiteit van Wenen, nu een nieuwe manier gevonden om dit te doen.

Ze transformeerden kristallijne metaal-organische raamwerkverbindingen in glas. Daarbij slaagden ze erin de poriegrootte van het materiaal te verkleinen tot het punt waarop het ondoordringbaar werd voor bepaalde gasmoleculen. Ze hebben hun bevindingen gerapporteerd in het tijdschrift Nature Materials .

Gecomprimeerde metaal-organische raamwerken

"Eigenlijk werden deze glasachtige materialen voorheen als niet-poreus beschouwd", legt Dr. Alexander Knebel van het Otto Schott Instituut van de Universiteit van Jena uit, die dit werk leidde. "Het uitgangsmateriaal, dat wil zeggen de kristallijne raamwerkverbindingen, hebben zeer duidelijk gedefinieerde poriën en ook een groot intern oppervlak. Daarom worden ze ook onderzocht als materialen voor het opslaan of scheiden van gassen. Deze gedefinieerde structuur gaat echter verloren tijdens het smelten en comprimeren. En daar hebben wij gebruik van gemaakt."

"Metaal-organische raamwerkverbindingen bestaan ​​uit metaalionen die met elkaar zijn verbonden door stijve organische moleculen", zegt de leider van de junior onderzoeksgroep. "In de ruimtes van deze driedimensionale, regelmatige roosters kunnen gasmoleculen gemakkelijk bewegen. Tijdens de glasbewerking hebben we het materiaal gecomprimeerd. Simpel gezegd:we konden de poriën tot de gewenste grootte samenknijpen."

Geordende stoornis

Hoewel de algehele structuur van het kristal tijdens het smelten verdwijnt, behouden delen van het kristal hun structuur. "Technisch gezien betekent dit:tijdens de overgang van kristal naar glas gaat de langeafstandsorde van het materiaal verloren, maar blijft de korteafstandsorde behouden", legt Knebel uit.

Oksana Smirnova, promovendus aan de Universiteit van Jena en hoofdauteur van het werk, voegt hieraan toe:"Als we dit materiaal nu smelten en comprimeren, veranderen ook de poreuze tussenruimten." Als gevolg hiervan ontstaan ​​er kanalen met vernauwingen (of zelfs doodlopende wegen) en als gevolg daarvan passen sommige gassen er eenvoudigweg niet meer doorheen.

Zo bereikte de groep poriëndiameters van 0,27 tot 0,32 nanometer in het materiaal, met een nauwkeurigheid van een honderdste van een nanometer. “Ter illustratie:dit is ongeveer 10.000 keer dunner dan een mensenhaar en 100 keer dunner dan een dubbele DNA-helix. Met deze poriegrootte konden we bijvoorbeeld kooldioxide van ethaan scheiden”, legt Knebel uit. "Onze doorbraak op dit gebied is waarschijnlijk de hoge kwaliteit van de glazen en de nauwkeurige verstelbaarheid van de poriekanalen. En onze glazen zijn ook enkele centimeters groot."

"Eén doel van dit werk is het ontwikkelen van een glasmembraan voor milieutoepassingen. Omdat het scheiden van kooldioxide uit gassen ongetwijfeld een van de grote technologische uitdagingen van onze tijd is", zegt Knebel. "Daarom ben ik ook dankbaar ... voor de uitstekende inzet van mijn promovendus Oksana Smirnova, die aanzienlijk heeft bijgedragen aan het succes van dit werk."

Meer informatie: Oksana Smirnova et al., Nauwkeurige controle over gastransportkanalen in zeolitisch imidazolaatraamwerk, Nature Materials (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01738-3

Journaalinformatie: Natuurmaterialen

Aangeboden door Friedrich Schiller Universiteit van Jena