蒸餾的成本效益和綠色替代品是吸附分離

阿姆斯特丹大學研究優(yōu)先級可持續(xù)化學的Stefania Grecea博士研究小組的研究人員已經設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，他們產生了混合金屬氧化物材料的分級多孔結構，其可以作為MOF晶體的支撐物。最近一期的ACS應用材料與接口雜志，博士。學生Yiwen Tang與UvA Computational Chemistry團隊的David Dubbeldam博士合作，展示了生物靈感設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)燃料的實際應用相關的最具挑戰(zhàn)性的問題之一。生物乙醇由農業(yè)原料，藻類農場或糖蜜發(fā)酵生產，含有水和甲醇作為雜質。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。在生物燃料生產中，該方法依賴于對乙醇或混合物中的雜質具有高選擇性的吸附劑材料的開發(fā)。在阿姆斯特丹大學的研究優(yōu)先領域可持續(xù)化學，Stefania Grecea博士開發(fā)了合成方法，用于設計具有這種選擇性吸附特性的多孔分子基材料。

吸附材料

用于分離應用的合適的吸附材料應具有適當?shù)亩嗫捉Y構和高比表面積，以促進特定分子的吸附和擴散。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，實際應用還取決于它們的宏觀性質。MOF經常被合成為微小晶體的粉末。這些不能直接用于工業(yè)應用，因為它們具有有限的填充密度以及高擴散阻擋層。一種解決方案是將MOF成形為顆粒，顆?；蛘?，或將它們分散在薄膜內，形成膜。然而，在這種成型方法中施加的壓力導致結晶度的損失，并因此導致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MOF性能的方法，阿姆斯特丹的研究人員特別將自然轉向綠色植物葉子?？茖W家已經使用天然葉子作為模板來設計非均相光催化劑，因為它們的結構可以提供有效的光采集。已證明這種人造葉結構對于氫生產非常有效。

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構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生均勻分散的MOF晶體層。

詳細的形態(tài)學研究表明，所得復合材料確實具有分級多孔結構，并且具有窄尺寸分布的MOF晶體均勻地分散在分級孔的內表面。

表現(xiàn)研究

鑒于在生物乙醇凈化中的應用，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 - 甲醇混合物進行的后續(xù)分子模擬表明，甲醇吸附在低壓范圍內具有高選擇性。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。

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

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