蒸餾的成本效益和綠色替代品是吸附分離

阿姆斯特丹大學(xué)研究優(yōu)先級可持續(xù)化學(xué)的Stefania Grecea博士研究小組的研究人員已經(jīng)設(shè)計出一種方法來提高金屬有機框架(MOFs)的實際性能。通過使用來自黑楊樹的葉子作為模板，他們產(chǎn)生了混合金屬氧化物材料的分級多孔結(jié)構(gòu)，其可以作為MOF晶體的支撐物。最近一期的ACS應(yīng)用材料與接口雜志，博士。學(xué)生Yiwen Tang與UvA Computational Chemistry團(tuán)隊的David Dubbeldam博士合作，展示了生物靈感設(shè)計的獨特吸附和分離特性。

水 - 醇混合物的分離是與生物乙醇作為可持續(xù)燃料的實際應(yīng)用相關(guān)的最具挑戰(zhàn)性的問題之一。生物乙醇由農(nóng)業(yè)原料，藻類農(nóng)場或糖蜜發(fā)酵生產(chǎn)，含有水和甲醇作為雜質(zhì)。使用傳統(tǒng)蒸餾從這些水 - 醇混合物中獲得燃料級生物乙醇是不實際的，因為水和乙醇形成所謂的共沸混合物。

蒸餾的成本效益和綠色替代品是吸附分離。在生物燃料生產(chǎn)中，該方法依賴于對乙醇或混合物中的雜質(zhì)具有高選擇性的吸附劑材料的開發(fā)。在阿姆斯特丹大學(xué)的研究優(yōu)先領(lǐng)域可持續(xù)化學(xué)，Stefania Grecea博士開發(fā)了合成方法，用于設(shè)計具有這種選擇性吸附特性的多孔分子基材料。

吸附材料

用于分離應(yīng)用的合適的吸附材料應(yīng)具有適當(dāng)?shù)亩嗫捉Y(jié)構(gòu)和高比表面積，以促進(jìn)特定分子的吸附和擴(kuò)散。一類特定的吸附材料是金屬有機骨架(MOF)。它們具有高比表面積并且通過在分子水平上調(diào)節(jié)其孔的尺寸和功能，可以實現(xiàn)特定的吸附選擇性。

然而，實際應(yīng)用還取決于它們的宏觀性質(zhì)。MOF經(jīng)常被合成為微小晶體的粉末。這些不能直接用于工業(yè)應(yīng)用，因為它們具有有限的填充密度以及高擴(kuò)散阻擋層。一種解決方案是將MOF成形為顆粒，顆?；蛘希?qū)⑺鼈兎稚⒃诒∧?nèi)，形成膜。然而，在這種成型方法中施加的壓力導(dǎo)致結(jié)晶度的損失，并因此導(dǎo)致MOF材料的活性降低或甚至失活。因此，找到最合適的MOF處理方法仍然是一個挑戰(zhàn)。

看著樹葉

為了尋求提高M(jìn)OF性能的方法，阿姆斯特丹的研究人員特別將自然轉(zhuǎn)向綠色植物葉子?？茖W(xué)家已經(jīng)使用天然葉子作為模板來設(shè)計非均相光催化劑，因為它們的結(jié)構(gòu)可以提供有效的光采集。已證明這種人造葉結(jié)構(gòu)對于氫生產(chǎn)非常有效。

UvA的研究人員從天然葉脈系統(tǒng)中獲取靈感，該系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展為輸送含水液體。它是一種分層多孔系統(tǒng)，由許多不同尺寸的纖維和容器組成。在分離技術(shù)中，與均勻尺寸的多孔材料相比，具有多級孔的分層多孔材料通常表現(xiàn)出增強的吸附性能。

因此，研究人員使用溶膠 - 凝膠法合成了一種具有分層多孔結(jié)構(gòu)的混合金屬氧化物材料，其中黑楊(Populous nigra)的天然葉子被用作模板。然后將該混合氧化物人造葉用作載體以產(chǎn)生均勻分散的MOF晶體層。

詳細(xì)的形態(tài)學(xué)研究表明，所得復(fù)合材料確實具有分級多孔結(jié)構(gòu)，并且具有窄尺寸分布的MOF晶體均勻地分散在分級孔的內(nèi)表面。

表現(xiàn)研究

鑒于在生物乙醇凈化中的應(yīng)用，Yiwen Tang研究了新材料的水，甲醇和乙醇吸附性能。他確定選擇性按甲醇>乙醇>水的順序變化。David Dubbeldam博士使用等摩爾乙醇 - 甲醇混合物進(jìn)行的后續(xù)分子模擬表明，甲醇吸附在低壓范圍內(nèi)具有高選擇性。此外，該材料可有效地分離水 - 乙醇混合物，乙醇在低壓范圍內(nèi)被選擇性吸附，同時水在高壓下被選擇性吸附。

研究人員得出結(jié)論，他們的生物啟發(fā)合成方法不僅與分子分離應(yīng)用高度相關(guān)，而且作為設(shè)計MOF復(fù)合材料用于各種應(yīng)用(包括催化和分子傳感)的一般策略。

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