Separacja gazów poprzez szkielety metaloorganiczne

Szkielety metaloorganiczne MOFs (metal – organic frameworks) są to porowate materiały krystaliczne składające się z jonów metali lub klasterów metali połączonych przez organiczne grupy, które mogą mieć strukturę 2D lub 3D. Międzynarodowy zespół opracował sposób wytwarzania takich materiałów w postaci 2D, jako płaskie płytki, osadzając je na cienkich filmach polimerów ^[1]. Ta redukcja z 3D na 2D otwiera nowe obszary zastosowań dla MOFów.

Rys. 1 Struktura MOFu otrzymanego w Instytucie Lavoisier o nazwie MIL – 53

MOFy znajdują zastosowanie do przechowywania lub oddzielania gazów. Sorbenty te są typowo stosowane w postaci proszku. Materiały takie mogą być ładowane luzem do zbiorników w celu zwiększenia zdolności magazynowania gazu. MOFy mogą być również stosowane w rurach lub przewodach do rozdzielania mieszaniny gazów.

Zastosowania takie będą łatwiejsze do wdrożenia, jeśli MOFy będzie można przygotować jako cienkie, wytrzymałe i łatwo przetwarzane membrany. Dotychczas, wysiłki w celu wytworzenia membran MOF i hybrydowych membran MOF-polimer ograniczone były przez słabe właściwości mechaniczne otrzymanych produktów.

Zespół badaczy kierowany przez Francesca X Llabés i Xamena (Polytechnic University of Valencia, Hiszpania) i Jorge Gascona (Delft University of Technology, Holandia) opracował sposób wytwarzania MOFów w arkuszach o grubości nanometrów lub płytek o wymiarach poprzecznych w skali mikrometrycznej. Metoda polega na rozproszeniu arkuszy MOF w matrycy polimerowej.

Celem jej demonstracji, zespół zsyntezował benzenodikarboksylan miedzi – CuBDC. Zamiast mieszania substratów w jednym roztworze, naukowcy utworzyli trzypoziomowy ciekły ośrodek syntezy, w którym roztwory substratów: kwasu dikarboksylowego i miedzi rezydują w dolnej i górnej części naczynia reakcyjnego, a rozdzielone są przez roztwór buforowy. Dyfuzja substratów do środkowej warstwy powoduje kontrolowany wzrost wielkości arkuszy MOF. Następnie, badacze przygotowali membrany poliamid – MOF i ocenili ich przydatność w rozdziale CO₂ z mieszaniny CO₂ – metan. Odkryli, że membrany polimerowe z arkuszami MOF zapewniają 80% wyższą wydajność separacji, niż czysto polimerowe membrany i do ośmiu razy lepszą wydajność separacji, niż przy standardowych membranach złożonych z kryształów CuBDC.

Jürgen Caro (University of Hannover, Niemcy) komentuje: „Ta praca to prawdziwy przełom w selektywnej technologii membranowej gazów. Zaskakujące wyniki hybrydowych membran nie są jeszcze całkowicie zrozumiałe”. Sankar Nair (Georgia Institute of Technology, USA) jest również pod wrażeniem: „praca ta pokazuje sprytną strategię syntezy kształtowanych kryształów podobnych morfologicznie do arkuszy MOF, takie morfologie są trudne do uzyskania przy zastosowaniu typowych metod syntezy”.

Opracował: Łukasz Kurach

Korekta: Maciej Bielak-Wolanin