Trennung von Gasen mittels flexibler Molekularsiebe
Forscher der Universität Liverpool und der King Abdullah University of Science and Technology haben über einige aufregende Erkenntnisse in Bezug auf metallorganische Gerüste (MOFs), eine Klasse poröser Materialien, berichtet, die einer Vielzahl wichtiger Gastrennungsprozesse zugute kommen könnten.
Die Hochdurchsatzberechnungen der Gastransporteigenschaften in Tausenden von porösen Materialien identifizieren Materialien, die Potenzial für energieeffiziente Gastrennungen in der chemischen Industrie aufweisen.
University of Liverpool
Metallorganische Gerüste (MOFs) sind eine relativ neue Klasse poröser, kristalliner Materialien mit einem breiten Anwendungsspektrum.
Einige MOFs können als Molekularsieb wirken, indem sie eine Art von Gasmolekülen aus einer Mischung durchlassen, während sie die anderen blockieren. Es ist beispielsweise bekannt, dass einige MOFs Propylen von Propan trennen, ein wichtiger Prozess bei der Herstellung von Polypropylen-Kunststoffen, für die hochreines Propylen erforderlich ist.
In einer ersten in Nature Communications veröffentlichten Arbeit zeigen Forscher, dass diese dreidimensionalen Molekularsiebe im Gegensatz zu einem Küchensieb ihre Porenform verändern können und ihre Flexibilität für diese Leistung entscheidend ist.
Die durch experimentelle Röntgendaten unterstützte rechnerische Modellierung deutet darauf hin, dass für ein solches hochleistungsfähiges MOF, genannt KAUST-7, die durch die Anwesenheit der Propylen- und Propangasmoleküle ausgelösten strukturellen Veränderungen im MOF qualitativ unterschiedlich sind und zu einer stärkeren Adsorption und einem schnelleren Transport von Propylen führen, wodurch im Wesentlichen die Propylenmoleküle ausgesiebt werden.
Es ist jedoch schwer vorherzusagen, welche anderen Arten von MOFs diese funktionelle Flexibilität besitzen und daher auch für eine bestimmte Gastrennung gut sein könnten, da die Leistung durch spezifische molekulare Wechselwirkungen gesteuert wird, die schwer vorherzusehen oder experimentell zu identifizieren sind.
In einer zweiten Arbeit, die in Physical Chemistry Chemical Physics veröffentlicht wurde, konzentrieren sich die Forscher auf diese Herausforderung.
Sie entwickelten einen rechnergestützten Screening-Ansatz, um mehr als viertausend zuvor berichtete MOFs auf ihre Flexibilität zu prüfen, wenn sie sich wie ein Molekularsieb verhalten. Mit Hilfe dieses Ansatzes identifizierten sie die vier wichtigsten MOFs, die das Potenzial zur Abtrennung von Propylen von Propan aufweisen - zwei von ihnen sind bereits für ihre gute Leistung bekannt, während die beiden anderen für diese Anwendung noch nicht experimentell getestet wurden.
Dr. Matthew Dyer, Dozent für Chemie und Teil des Leverhulme-Forschungszentrums für funktionales Materialdesign der Universität, sagte: "MOFs haben in den letzten Jahren großes Interesse geweckt, und es bestehen große Hoffnungen für technische Anwendungen, insbesondere für flexible MOFs.
"Unsere Forschung trägt zu unserem Wissen über MOFs bei, warum einige von ihnen als Siebe fungieren können und welche Flexibilität zeigen.
"Mit Hilfe eines rechnergestützten Ansatzes sind wir in der Lage, flexible MOFs zu identifizieren, und diese Erkenntnisse haben das Potenzial, den Prozess der Gasreinigung energieeffizienter zu gestalten. Dies ist wichtig im Hinblick auf die Herstellung hochwertiger Kunststoffe, die reine Ausgangsverbindungen benötigen, die üblicherweise aus gasförmigen Nebenprodukten bei der petrochemischen Verarbeitung gewonnen werden."
"Solche Hochdurchsatz-Screening-Ansätze können auf viele verschiedene Materialien mit unterschiedlichen potenziellen Anwendungen angewandt werden. Sie haben das Potenzial, die Art und Weise zu verändern, wie wir Materialien finden, um technologischen Herausforderungen zu begegnen.
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Originalveröffentlichung
Dmytro Antypov et al.; "Differential guest location by host dynamics enhances propylene/propane separation in a metal-organic framework"; Nature Communications; 2020
Yohanes Pramudya et al.; "High-throughput screening of metal–organic frameworks for kinetic separation of propane and propene"; Physical Chemistry Chemical Physics; 2020
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