28.02.2020 - Hokkaido University

Metallorganische Gerüste können Gase trotz Wasser trennen

Metallorganische Gerüste (MOFs) sind vielversprechende Materialien für eine kostengünstige und weniger energieintensive Gastrennung auch in Gegenwart von Verunreinigungen wie Wasser.

Experimentelle Analysen der Leistung von metallorganischen Gerüsten (MOFs) für die Trennung von Propan und Propen unter realen Bedingungen zeigten, dass die am häufigsten verwendete Theorie zur Vorhersage der Selektivität keine genauen Schätzungen liefert und dass Wasser als Verunreinigung keine nachteilige Auswirkung auf die Leistung des Materials hat.

Kurzkettige Kohlenwasserstoffe werden nach der Behandlung von Rohöl in Raffinerien in Mischungen hergestellt und müssen getrennt werden, um industriell nutzbar zu sein. Propan wird beispielsweise als Brennstoff und Propen als Rohstoff für die chemische Synthese, z.B. für die Herstellung von Polymeren, verwendet. Allerdings erfordert der Trennprozess in der Regel hohe Temperaturen und Drücke, und zusätzlich macht die Entfernung anderer Verunreinigungen wie Wasser den Prozess kostspielig und energieaufwendig.

Die Struktur des untersuchten MOF bietet eine langlebige, anpassungsfähige und vor allem effiziente Trennalternative bei Umgebungsbedingungen. Sie bauen auf der Tatsache auf, dass ungesättigte Moleküle wie Propen mit den freiliegenden Metallatomen des Materials komplexiert werden können, während gesättigte Moleküle wie Propan dies nicht tun. Während sich die Forschung auf die Entwicklung verschiedener metallorganischer Gerüste für verschiedene Trennprozesse konzentriert hat, wird die Machbarkeit der Verwendung dieser Materialien im industriellen Maßstab im Allgemeinen nur anhand einer Theorie beurteilt, die viele idealisierende Annahmen sowohl über das Material als auch über die Reinheit der Gase macht. Daher war nicht klar, ob diese Vorhersagen unter komplizierteren, aber auch realistischeren Bedingungen Bestand haben.

Ein Team von Forschern der Universität Hokkaido um Professor Shin-ichiro Noro führte in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Professor Roland A. Fischer an der Technischen Universität München eine Reihe von Messungen zur Leistung eines prototypischen MOF durch, um die Selektivität des Materials in der realen Welt zu ermitteln, und zwar sowohl für vollständig trockene als auch für vor dem Einwirken von Wasser exponierte Gerüste.

Ihre Ergebnisse, die kürzlich in ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlicht wurden, zeigen, dass die vorhergesagten Selektivitäten des Materials im Vergleich zu den Ergebnissen der realen Welt zu hoch sind. Sie zeigte auch, dass Wasser die Selektivität nicht drastisch verringert, obwohl es die Fähigkeit des Materials zur Gasadsorption reduziert. Das Team führte dann quantenchemische Berechnungen durch, um zu verstehen, warum und erkannte, dass die Wassermoleküle selbst neue Bindungsstellen für ungesättigte Kohlenwasserstoffe wie Propen (aber nicht Propan) bieten und somit die Funktionalität des Materials erhalten.

Die Forscher geben an: "Wir zeigten die Leistungsfähigkeit von Mehrkomponenten-Adsorptionsexperimenten, um die Machbarkeit der Verwendung eines MOF-Systems zu analysieren. Damit wollen sie das Bewusstsein für die Unzulänglichkeiten gängiger Theorien schärfen und andere Gruppen dazu motivieren, ebenfalls eine Kombination verschiedener Messungen aus der realen Welt zu verwenden.

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