Результаты, представленные в сегодняшнем выпуске Advanced Materials, могут помочь в самых разных сферах применения, включая получение чистого кислорода для топливных элементов, использование этого кислорода в топливных элементах, удаление кислорода из упаковки пищевых продуктов, изготовление датчиков кислорода или для других промышленных процессов. Этот метод также можно использовать с другими газами, кроме кислорода, путем отключения вспомогательной молекулы.В настоящее время в промышленности используется общий процесс, называемый криогенной дистилляцией, для отделения кислорода от других газов.
Это дорого и требует много энергии для охлаждения газов. Кроме того, его нельзя использовать для специальных применений, таких как датчики или получение последней капли кислорода из упаковки пищевых продуктов.Отличный кислородный сепаратор будет легко подготовить и использовать, будет недорогим и многоразовым. Металлоорганические каркасы или металлоорганические каркасы — это материалы, содержащие множество пор, которые могут всасывать газы, как губки всасывают воду.
У них есть потенциал для разделения ядерного топлива и легких осушителей.Но из тысяч MOF только горстка поглощает молекулярный кислород.
И эти MOF химически реагируют с кислородом, образуя оксиды — например, ржавчину — которые делают материал непригодным для использования.«Когда мы впервые работали с MOF для отделения кислорода, мы могли использовать MOF только несколько раз. Мы подумали, что, может быть, есть лучший способ сделать это», — сказал материаловед Правин Таллапалли из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США.
Новый подход Таллапалли и его коллег из PNNL заключался в использовании второй молекулы для обеспечения отделения кислорода — молекула-помощник могла бы привлекаться, но химически не интересовалась бы MOF. Вместо этого помощник будет реагировать с кислородом, чтобы отделить его от других газов.
Они выбрали MOF под названием MIL-101, который известен своей большой площадью поверхности, что делает его мощной губкой, и отсутствием реактивности. Одна чайная ложка MIL-101 имеет такую же площадь поверхности, как футбольное поле. Большая площадь поверхности проистекает из пор MOF, где реактивные MOF творят свое волшебство.С MOF, которые вступают в реакцию с кислородом, необходимо осторожно обращаться в лаборатории, но MIL-101 стабилен при температуре окружающей среды и в открытой атмосфере лаборатории.
В качестве вспомогательной молекулы они попробовали ферроцен, недорогую железосодержащую молекулу.Ученые создали смесь MIL-101 и ферроцена, смешав их и нагревая.
Первоначальные испытания показали, что MIL-101 занимает больше своего веса в ферроцене и в то же время теряет площадь поверхности. Это указывало на то, что ферроцен занимал место в порах MOF, где они должны были задерживать кислород.Затем группа направила газы через черный композитный материал. Материал связывает большой процент кислорода, но почти не связывает добавленный азот, аргон или углекислый газ.
Материал вел себя таким образом независимо от того, проходили ли газы по отдельности или в смеси, показывая, что композит действительно может отделять кислород от других.Дополнительный анализ показал, что нагрев вызывает разложение ферроцена в порах на кластеры нанометрового размера, которые делают железо доступным для реакции с кислородом. В результате этой реакции образовался стабильный минерал, известный как маггемит, все в порах MOF.
Маггемит может быть удален из MOF, чтобы снова использовать MOF.В совокупности результаты на композите показали, что MOF может делать неожиданные вещи — например, очищать кислород — с небольшой помощью.
В будущих исследованиях будут изучены другие комбинации MOF и вспомогательных молекул.Помимо PNNL, участвующие исследователи использовали аналитические инструменты в двух офисах научных учреждений, лаборатории молекулярных наук об окружающей среде в PNNL и передовом источнике фотонов в Аргоннской национальной лаборатории, а также в Амстердамском университете.
Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США.