Investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf y de la Universidad Tecnológica de Dresde han desentrañado el mecanismo de adsorción de agua en ciertos materiales microporosos, los llamados marcos organometálicos (MOF), mientras los investigan a escala atómica.
Descubiertos hace sólo unos 25 años, sus propiedades especiales rápidamente les dieron fama de "materiales milagrosos" que, como se vio después, pueden incluso extraer agua del aire. Los investigadores describen cómo el material logra esto en ACS Applied Materials &Interfaces .
"Estos materiales tan especiales son sólidos muy porosos hechos de metales o grupos de metal y oxígeno que están conectados de forma modular mediante pilares de sustancias químicas orgánicas. Esta disposición tridimensional conduce a redes de cavidades que recuerdan a los poros de una esponja de cocina. Es precisamente Estas son las cavidades que nos interesan", dice el Dr. Ahmed Attallah del Instituto de Física de Radiación del HZDR.
Esos poros a nanoescala son la base de una gran cantidad de aplicaciones potenciales, que van desde el almacenamiento de gas hasta la tecnología de separación, así como catálisis y sensores novedosos, y la recolección de agua es una de las más prometedoras.
El equipo sintetizó dos MOF basados en los metales circonio y hafnio, sostenidos por la misma estructura orgánica. Luego, los científicos profundizaron en las características de los materiales obtenidos aplicando una variedad de técnicas complementarias.
Por un lado, determinaron cuánto nitrógeno o vapor de agua podía quedar atrapado en los poros del material. Por otro lado, observaron más de cerca el mecanismo exacto de adsorción de agua en los MOF, que hasta la fecha no se entendía bien.
"Para arrojar luz sobre el proceso, utilizamos una técnica no destructiva conocida como espectroscopia de vida de aniquilación de positrones, o en resumen, PALS, en la que un positrón interactúa con electrones (sus antipartículas), aniquilando y luego liberando rayos gamma que pueden ser detectado", afirmó el Dr. Andreas Wagner, jefe del Centro ELBE para Fuentes de Radiación de Alta Potencia en HZDR.
"El tiempo entre la emisión de positrones provenientes de una fuente radiactiva y la posterior detección de rayos gamma es la vida útil de los positrones. Esto a su vez depende de qué tan rápido se encuentran con los electrones."
Si hay huecos en el material, como nanoporos, los positrones y los electrones tienden a formar los llamados átomos de positronio, con un electrón y un positrón cada uno, orbitando alrededor de su centro de masa común, yendo directamente uno hacia el otro hasta que el par de partículas se une. ya sea dispersos o aniquilados, lo que ocurra primero.
Dado que estos átomos exóticos viven más tiempo en vacíos más grandes, están revelando información sobre el tamaño y la distribución del vacío. Los investigadores descubrieron que la adsorción de agua en los MOF se regía principalmente por un mecanismo de llenado gradual, incluida la formación de puentes líquidos en los poros. La adsorción de agua se vio influenciada por la formación de acumulaciones de agua en la superficie de los poros, que crearon pequeños espacios de aire en los poros.
"Debido a la gran semejanza química de los metales circonio y hafnio, las estructuras organometálicas resultantes tienen exactamente el mismo tamaño de poro y una alta estabilidad química, lo que nos permite evaluar al mismo tiempo la validez de nuestro método", afirmó el Prof. Stefan Kaskel, Catedrático de Química Inorgánica I de la Universidad Tecnológica de Dresde, explica. La investigación de su grupo se centra en el desarrollo de nuevos materiales funcionales para diversas aplicaciones, como almacenamiento y conversión de energía, catálisis ambiental y adsorción de agua.
Con base en los resultados, los investigadores concluyen que su estudio proporciona nuevos conocimientos sobre el mecanismo de adsorción de agua en los MOF jerárquicos, lo que podría ayudar a diseñar mejores materiales para la recolección de agua del aire, lo cual es particularmente importante en regiones áridas. Al exponer los MOF al aire, pueden capturar moléculas de agua de la atmósfera. Luego, aplicando calor o reduciendo la presión, el agua se puede liberar y utilizar.
Los científicos ya piensan más allá:¿Es la tecnología adecuada para soluciones comerciales? Como informó otro grupo en el campo, 1,3 litros de agua por kilogramo de MOF por día provenientes del aire del desierto dan una idea de la magnitud del rendimiento práctico que se puede alcanzar actualmente.
Sin embargo, para obtener una solución global sostenible, es necesario tener en cuenta otros factores más allá del rendimiento. "Para ampliar la recolección de agua con MOF, estos deberían ser accesibles a bajo costo en grandes cantidades. Además, las rutas de síntesis tradicionales requieren grandes cantidades de solventes orgánicos o la adquisición de costosos componentes básicos", señalan Kaskel y Attallah sobre posibles obstáculos en este esfuerzo.
Para evitarlos, los llamados procedimientos de síntesis "verdes" desarrollados recientemente ganarán impulso en el futuro, garantizando una producción ecológica de MOF.
El equipo de Dresde ya se adhiere a esta idea siguiendo los principios de la química verde, como el uso de agua como disolvente, la realización de reacciones a bajas temperaturas que ahorran energía y el aprovechamiento de materiales de desecho como fuentes de metales y enlaces orgánicos.
Más información: Ahmed G. Attallah et al, Desentrañar el mecanismo de adsorción de agua en MOF jerárquicos:conocimientos de estudios de vida útil de aniquilación de positrones in situ, Interfaces y materiales aplicados ACS (2023). DOI:10.1021/acsami.3c10974
Información de la revista: Interfaces y materiales aplicados de ACS
Proporcionado por la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes
