Une forme inverse de chimie hôte-invité pourrait bouleverser la façon dont l'industrie chimique aborde les défis, séparations moléculaires énergivores.

Cages moléculaires, dans lequel les molécules invitées s'accrochent aux surfaces externes des cages plutôt que d'entrer dans une cavité interne, pourrait réduire l'impact environnemental de la séparation des mélanges de produits chimiques industriels, la recherche de KAUST suggère.

Les séparations moléculaires réalisées à grande échelle par l'industrie chimique représentent collectivement jusqu'à 15 % de la consommation énergétique mondiale. L'une des séparations les plus énergivores fait intervenir des dérivés du benzène, appelés xylènes, qui sont produits comme un mélange de trois formes isomères qui doivent être séparées pour leurs diverses utilisations industrielles. L'isomère le plus précieux, para-xylène, est un ingrédient clé dans la fabrication de polymères de polyester et de polyéthylène téréphtalate (PET).

« Classiquement, ces isomères sont séparés par des méthodes énergivores, comme la cristallisation fractionnée, " dit Basem Moosa, un chercheur dans le laboratoire de Niveen Khashab. « Des techniques alternatives qui nécessitent moins de chaleur réduiraient l'empreinte carbone et la pollution globale de la séparation du xylène, " il ajoute.

Khashab et son équipe ont étudié la possibilité de séparer les isomères du xylène à l'aide de matériaux en forme de cage, qui absorbent sélectivement un isomère du xylène dans le mélange, en tant que technique de séparation alternative économe en énergie. Des recherches antérieures se sont concentrées sur des matériaux inorganiques poreux appelés zéolites, mais les défis de traitement et la sélectivité limitée des zéolites ont quelque peu restreint leur adoption par l'industrie.

Dans leur dernier ouvrage, Les chercheurs de la KAUST se sont tournés vers l'écurie, des matériaux de cage organiques faciles à fabriquer qui incorporaient des groupes azoïques à base d'azote dans leur structure. Les matériaux ont capturé l'isomère de para-xylène avec une haute sélectivité. « Par rapport à d'autres matières organiques, il a montré l'un des adsorbants les plus élevés pour les séparations de xylène, " dit Aliyah Fakim, un doctorat étudiant dans l'équipe de Khashab. Étonnamment, cependant, l'adsorption du paraxylène n'impliquait pas l'entrée de l'isomère dans la cage azoïque. Au lieu, l'isomère collé à l'extérieur de la cage, formant des cristaux dans lesquels chaque molécule de para-xylène était entourée de quatre molécules en cage.

L'équipe prévoit d'affiner les performances des cages organiques non poreuses en abaissant la température d'activation et en réduisant le temps d'absorption puis de libération du paraxylène une fois extrait du mélange.

Cependant, le concept de séparation utilisant des cages organiques non poreuses pourrait être adopté pour de nombreuses séparations chimiques à l'échelle industrielle, abaisser la demande énergétique de ces grands procédés industriels, note Khashab. "Nous pensons que ces structures seront une nouvelle génération, technologie de rupture pour de nombreuses séparations chimiques énergivores, " dit-elle. " Les cages organiques sont bon marché à mettre à l'échelle par rapport à d'autres matériaux organiques, et le plus intéressant, ils peuvent être facilement réglés pour des séparations sélectives, contrairement à leurs homologues de zéolite inorganique.