Un défi pour l'équipe était de faire en sorte qu'un MOF cristallin se comporte comme un liquide poreux. L'équipe a découvert comment modifier la surface de nanoparticules MOF relativement grandes avec des groupes chimiques appropriés. Cette « fonctionnalisation de surface » a permis aux nanoparticules de former des dispersions stables dans un solvant liquide. Crédit :© 2020 KAUST
Des matériaux innovants appelés structures organométalliques (MOF) pourraient devenir beaucoup plus polyvalents à la suite de recherches montrant qu'ils peuvent être manipulés sous forme de liquides.
Les MOF sont des solides cristallins hautement poreux avec des ions métalliques ou des amas métalliques reliés par des groupes de liaison organiques (à base de carbone). La variation de ces pièces peut créer une grande variété de solides avec des pores internes capables de piéger des molécules sélectionnées ou de catalyser des réactions chimiques.
"Ces matériaux cristallins sont difficiles à traiter, mais nous avons développé un moyen de les solubiliser, " déclare Anastasiya Bavykina de l'équipe de recherche du KAUST Catalysis Center.
Les chercheurs de la KAUST ont produit des membranes composées du MOF noyé dans un polymère, qui, selon eux, peut atteindre des performances exceptionnelles dans la séparation difficile du gaz propylène du propane.
"C'est révolutionnaire, " dit Bavykina. Le propylène est une matière première clé pour l'industrie chimique; il est utilisé pour fabriquer le polypropylène polymère utilisé dans de nombreux produits. Il peut également être converti en d'autres polymères et produits chimiques industriellement utiles, mais il faut d'abord le séparer du propane auquel il est généralement mélangé.
« Si les technologies actuelles de séparation du propane-propylène énergivores, basé sur la distillation, pourrait être remplacé par notre technologie membranaire MOF, alors cela pourrait économiser environ 0,1 pour cent de la consommation mondiale d'énergie, ", souligne le co-auteur Shuvo Datta.
Les images SEM en coupe transversale montrent des différences dans les caractéristiques physiques des membranes. Reproduit avec la permission de la référence 1. Crédit :© 2020 Springer Nature
Un défi pour l'équipe était de faire en sorte qu'un MOF cristallin se comporte comme un liquide poreux. L'équipe a découvert comment modifier la surface de nanoparticules MOF relativement grandes avec des groupes chimiques appropriés. Cette « fonctionnalisation de surface » a permis aux nanoparticules de former des dispersions stables dans un solvant liquide.
Un autre défi était de s'assurer que les pores internes des MOF restent vides et capables d'absorber et de permettre la perméation des molécules de gaz souhaitées. Les espaces poreux et les molécules de solvant doivent être soigneusement contrôlés pour empêcher le solvant de remplir les espaces.
"Il n'est pas non plus facile de démontrer réellement qu'un liquide est poreux, " ajoute Bavykina. Les chercheurs ont dû développer un nouveau dispositif expérimental pour y parvenir.
Les dispersions de MOF en phase liquide peuvent séparer les mélanges gazeux qui y sont barbotés, mais l'équipe a atteint une plus grande flexibilité en incorporant un MOF dans leurs membranes polymères flexibles et robustes. Cela a permis à un système à flux continu de fonctionner jusqu'à 30 jours, produisant 97 pour cent de propylène pur à partir d'un mélange 50/50 propane-propylène qui a été efficacement filtré par la membrane.
L'équipe souhaite maintenant étendre sa procédure pour démontrer son potentiel commercial. Ils chercheront également à l'appliquer à d'autres procédés industriels importants de séparation des gaz.
L'étude est publiée dans Matériaux naturels .
