Investigadores del grupo de la Dra. Stefania Grecea de la Química Sostenible Prioritaria de Investigación de la Universidad de Ámsterdam han ideado una forma de mejorar el rendimiento práctico de los marcos metal-orgánicos (MOF). Usando hojas de álamo negro como plantilla, produjeron estructuras porosas jerárquicas de materiales de óxidos de metales mixtos que pueden actuar como soporte para los cristales de MOF. En una edición reciente de la revista Interfaces y materiales aplicados ACS , Doctor. estudiante Yiwen Tang en colaboración con el Dr. David Dubbeldam del grupo UvA Computational Chemistry, Demuestre las propiedades únicas de adsorción y separación del diseño bioinspirado.

La separación de mezclas de agua y alcohol es uno de los problemas más desafiantes asociados con la aplicación práctica del bioetanol como combustible sostenible. Producido a partir de materias primas agrícolas, granjas de algas o la fermentación de melazas, el bioetanol contiene agua y metanol como impurezas. La obtención de bioetanol de grado combustible a partir de estas mezclas de agua y alcohol mediante la destilación tradicional no es práctica porque el agua y el etanol forman la denominada mezcla azeotrópica.

La alternativa ecológica y rentable a la destilación es la separación por adsorción. En la producción de biocombustibles, este método se basa en el desarrollo de materiales adsorbentes que son altamente selectivos hacia el etanol o las impurezas de la mezcla. En el Área de Investigación Prioritaria de Química Sostenible de la Universidad de Ámsterdam, el grupo de la Dra. Stefania Grecea desarrolla enfoques sintéticos para diseñar materiales porosos de base molecular con tales propiedades de adsorción selectiva.

Materiales adsorbentes

Los materiales adsorbentes adecuados para aplicaciones de separación deben tener una estructura porosa apropiada y un área superficial específica alta para facilitar tanto la adsorción como la difusión de moléculas específicas. Una clase específica de materiales adsorbentes son las estructuras organometálicas (MOF). Tienen un área específica alta y al ajustar el tamaño y la funcionalidad de sus poros a nivel molecular, Se pueden lograr selectividades de adsorción específicas.

Sin embargo, la aplicación práctica también depende de sus propiedades macroscópicas. A menudo, los MOF se sintetizan como polvos de cristales diminutos. Estos no se pueden usar directamente en aplicaciones industriales porque tienen una densidad de empaquetamiento limitada, así como altas barreras de difusión. Una solución es dar forma a los MOF como gránulos, pellets o monolitos, o dispersarlos en películas delgadas, creando membranas. Sin embargo, la presión aplicada en tales métodos de conformación conduce a la pérdida de cristalinidad y, por lo tanto, a una actividad reducida o incluso a la inactivación de los materiales MOF. Por lo tanto, sigue siendo un gran desafío encontrar el método de procesamiento de MOF más apropiado.

Mirando hojas

En busca de formas de mejorar el rendimiento de MOF, los investigadores de Amsterdam se volvieron hacia la naturaleza, en particular, a las hojas de las plantas verdes. Los científicos ya han utilizado hojas naturales como plantillas para diseñar fotocatalizadores heterogéneos, ya que están estructurados para proporcionar una recolección de luz eficiente. Estas estructuras de hojas artificiales han demostrado ser muy eficaces para la producción de hidrógeno.

Los investigadores de UvA se inspiraron en el sistema natural de venas de las hojas que ha evolucionado para transportar líquidos acuosos. Es un sistema poroso jerárquico que consta de muchas fibras y vasos de diferentes tamaños. En tecnología de separación, Los materiales jerárquicamente porosos que tienen poros de varios niveles a menudo presentan un rendimiento de adsorción mejorado en comparación con los materiales porosos de tamaño uniforme.

Por lo tanto, Los investigadores sintetizaron un material de óxido de metal mixto con una estructura porosa jerárquica utilizando un método sol-gel en el que se utilizaron hojas naturales de álamo negro (Populous nigra) como plantilla. Esta hoja artificial de óxido mixto se utilizó luego como soporte para crear una capa de cristales de MOF dispersa homogéneamente.

Estudios morfológicos detallados mostraron que el material compuesto resultante tiene de hecho una estructura porosa jerárquica y que los cristales de MOF con una distribución de tamaño estrecha se encuentran dispersos de manera homogénea en la superficie interna de los poros jerárquicos.

Estudios de desempeño

A la luz de su aplicación en la purificación de bioetanol, Yiwen Tang estudió el agua, propiedades de adsorción de metanol y etanol del nuevo material. Estableció que la selectividad varía en el orden metanol> etanol> agua. Las simulaciones moleculares posteriores realizadas por el Dr. David Dubbeldam utilizando mezclas equimolares de etanol y metanol mostraron que la adsorción de metanol es altamente selectiva en el rango de baja presión. Es más, el material es eficaz para separar mezclas de agua-etanol con etanol adsorbido selectivamente en el rango de baja presión, mientras que el agua se adsorbe selectivamente a altas presiones.

Los investigadores concluyen que su enfoque sintético bioinspirado es muy relevante no solo para aplicaciones de separaciones moleculares, sino también como estrategia general para diseñar materiales compuestos MOF para diversas aplicaciones. incluyendo catálisis y detección molecular.