Materiaalwetenschappers van Rice University ontwikkelden een snelle, goedkope, schaalbare methode om covalente organische raamwerken (COF's) te maken, een klasse kristallijne polymeren waarvan de afstembare moleculaire structuur, het grote oppervlak en de porositeit nuttig zouden kunnen zijn in energietoepassingen, halfgeleiderapparaten, sensoren, filtratiesystemen en medicijnafgifte.

"Wat deze structuren zo speciaal maakt, is dat het polymeren zijn, maar ze rangschikken zichzelf in een geordende, zich herhalende structuur waardoor het een kristal wordt", zegt Jeremy Daum, een Rice-doctoraatsstudent en hoofdauteur van een studie gepubliceerd in ACS Nano. . "Deze structuren lijken een beetje op kippengaas:het zijn zeshoekige roosters die zichzelf herhalen op een tweedimensionaal vlak, en dan op zichzelf worden gestapeld, en zo krijg je een gelaagd 2D-materiaal."

Alec Ajnsztajn, PhD-alumnus van Rice en de andere hoofdauteur van het onderzoek, zei dat de synthesetechniek het mogelijk maakt om in recordtijd geordende 2D-kristallijne COF's te produceren met behulp van dampdepositie.

"Als je COF's maakt door oplossingsverwerking, is er vaak geen uitlijning op de film", zei Ajnsztajn. "Deze synthesetechniek stelt ons in staat de oriëntatie van de vellen te controleren, zodat we ervoor kunnen zorgen dat de poriën op één lijn liggen, wat je wilt als je een membraan maakt."

Het vermogen om de poriegrootte te controleren is nuttig in separatoren, waar COF's zouden kunnen dienen als membranen voor ontzilting en mogelijk energie-intensieve processen zoals destillatie kunnen helpen vervangen. In de elektronica kunnen COF's worden gebruikt als batterijscheiders en organische transistors.

"COF's hebben het potentieel om nuttig te zijn in een verscheidenheid aan katalytische processen. Je zou bijvoorbeeld COF's kunnen gebruiken om koolstofdioxide af te breken tot nuttige chemicaliën zoals ethyleen en mierenzuur," zei Daum.

Een van de hindernissen die het gebruik van COF's op grotere schaal verhinderen, is dat productiemethoden waarbij oplossingsverwerking betrokken is, langer duren en moeilijker toepasbaar zijn in industriële omgevingen.

"Het kan drie tot vijf dagen reactietijd duren om de poeders te produceren voor de oplossingen die nodig zijn om COF's te genereren," zei Ajnsztajn. "Onze methode is veel sneller. Na maanden van optimaliseren zijn we erin geslaagd om films van hoge kwaliteit te produceren in slechts 20 minuten of minder."

Om er zeker van te zijn dat hun films de juiste moleculaire structuur vertoonden, gingen Daum en Ajnsztajn naar het Argonne National Laboratory, waar ze hun monsters analyseerden met behulp van de Advanced Photon Source, waarbij ze 71 uur lang in ploegendienst continu werkten.

"We wisten dat het 'go'-tijd was, maar we waren zo blij met de resultaten", zei Daum. "We moesten naar een nationaal laboratorium omdat deze techniek de enige manier was om de kwaliteit van onze films te meten en ervoor te zorgen dat we de juiste maatregelen hadden genomen om ze te optimaliseren."

Microscopiestudies verschaften inzicht in hoe COF-kristallen groeien en hielpen aantonen dat temperaturen tot 340°C (~644°F) gebruikt konden worden om organische moleculen te synthetiseren.

‘Terwijl we aan dit project werkten, hebben we van veel mensen gehoord die dachten dat het verwarmen van organische moleculen tot zulke hoge temperaturen de juiste reacties zou voorkomen, maar wat we ontdekten is dat chemische dampafzetting in feite een haalbare manier is. om organische materialen te creëren," zei Ajnsztajn.

Om de COF's te maken, bouwden Daum en Ajnsztajn een ad-hocreactor van afgedankte onderdelen van laboratoriumapparatuur en andere goedkope, gemakkelijk verkrijgbare materialen.

"Dit hele proces was iets dat heel goedkoop te monteren was", zei Daum. "Het opzetten van een robuust, schaalbaar proces voor het produceren van een verscheidenheid aan COF-films zal hopelijk een betere toepassing van COF's in katalyse, energieopslag, membranen en meer mogelijk maken."

Meer informatie: Jeremy P. Daum et al, Oplossingen zijn het probleem:bestelde tweedimensionale covalente organische raamwerkfilms door middel van chemische dampafzetting, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c06142

Journaalinformatie: ACS Nano

Aangeboden door Rice University