MOF جدید جذب و انحلال را برای جداسازی انرژی کارآمد اکسیژن از آرگون ترکیب می کند.

جداسازی کارآمد گاز در صنایع مختلف، از کاربردهای پزشکی گرفته تا تولید برق، حیاتی است. با این حال، جداسازی اکسیژن از مخلوط ها، یک چالش تکنولوژیکی قابل توجه است. از آنجا که بسیاری از گازها، از جمله آرگون و اکسیژن، خواص فیزیکی مشابهی دارند، جداسازی آنها دشوار است.

اکنون، ریوتارو ماتسودا و تیمش در دانشگاه ناگویا یک چارچوب متخلخل فلزی-آلی منحصر به فرد (MOF) ایجاد کرده‌اند که نشان‌دهنده یک رویکرد جدید برای جداسازی گاز است: پدیده‌ای ترکیبی از “جذب” و “انحلال” که آنها آن را “جذب-انحلال” می‌نامند. مکانیزم یافته های آنها در منتشر شده است ارتباطات طبیعت.

تکنیک های جداسازی گاز به طور سنتی به دو ویژگی بستگی دارد: توانایی مواد برای جذب گازها به منافذ با اندازه نانو (جذب) یا حل کردن گازها در مایعات (انحلال). با این حال، هر روش محدودیت هایی دارد.

جذب موثر گازها توسط مواد جامد متخلخل مانند زئولیت و کربن فعال به دلیل ناتوانی آنها در آزادسازی انتخابی گازهای خاص مانند اکسیژن و آرگون، که کاربردهای بالقوه آنها را محدود می کند، مانع می شود. از سوی دیگر، برخی از مایعات می توانند گازها را به طور موثر حل کنند، اما کار با آنها در کاربردهای صنعتی به دلیل ماهیت مایع آنها دشوار است.

MOFهای جامد متخلخل اغلب با ترکیباتی ترکیب می شوند تا مواد بسیار جذب شوند. ماتسودا و همکارانش از این خاصیت برای ترکیب یک ماده MOF با پرفلوئوروکربن ها استفاده کردند، مایعاتی که تمایل زیادی به اکسیژن دارند و چارچوبی را ایجاد کردند که مولکول های اکسیژن را در منافذ آن جذب می کند.

پرفلوئوروکربن‌ها به انحلال کمک می‌کنند، که وقتی با MOF ترکیب می‌شوند یک نیروی جذب-انحلال قدرتمند ایجاد می‌کنند و جداسازی گاز را بسیار کارآمدتر و انتخابی‌تر می‌کنند.

ماتسودا گفت: «فرایندهای جذب و انحلال به دلیل ماهیت متفاوت محیط مورد استفاده، در این مورد جامدات و مایعات، به‌عنوان پدیده‌های اساسی متفاوت شناخته می‌شوند. “مواد ما دارای منافذی است که با زنجیره های پرفلوئوروآلکیل پر شده است، که ترکیبی از رفتار “جذب-انحلال” را ایجاد می کند.

این گروه با موفقیت از مواد خود برای جداسازی آرگون و اکسیژن، دو عنصری که معمولاً به سختی جدا می شوند، استفاده کردند. آنها اکسیژن خالص تولید می کنند، عنصری با کاربردهای صنعتی فراوان.

ماتسودا گفت: در صنایعی مانند تولید فولاد، اکسیژن با خلوص بالا برای احتراق و واکنش های شیمیایی مورد نیاز است، در حالی که در محیط های پزشکی، اکسیژن غلیظ برای درمان به ویژه برای بیماران مبتلا به مشکلات تنفسی حیاتی است.

این گروه انتظار دارد از فناوری آنها در صنایعی استفاده شود که به روشی کم مصرف برای تمرکز اکسیژن از هوا نیاز دارند. از آنجایی که این فرآیندها در حال حاضر انرژی زیادی مصرف می کنند، یافته های آنها می تواند هزینه های عملیاتی و اثرات زیست محیطی را کاهش دهد.

در محیط های پزشکی، به ویژه، غنی سازی اکسیژن می تواند مراقبت از بیمار را بهبود بخشد و استفاده از مخازن اکسیژن گران قیمت و حجیم را کاهش دهد.

کاربردهای بالقوه این ماده جدید فراتر از تکامل اکسیژن است.

ماتسودا گفت: «پدیده «جذب-انحلال» را می توان برای سایر کارهای جداسازی گاز که قبلاً دشوار تلقی می شد، مانند جداسازی نیتروژن، دی اکسید کربن یا هیدروژن از مخلوط های پیچیده، به کار برد.

توانایی تمرکز و جداسازی موثر گازها، درها را به روی فناوری های جدید در مدیریت زیست محیطی، مانند جذب و بازیافت گازهای گلخانه ای مضر مانند CO باز می کند.₂یا بهبود فناوری پیل سوختی از طریق رهاسازی کارآمد هیدروژن.”

علاوه بر این، بهره وری انرژی این ماده MOF مطابق با ابتکارات پایداری جهانی است. همانطور که جهان به سمت یک جامعه کربن زدایی می رود، یافتن راه هایی برای کاهش مصرف انرژی در فرآیندهای صنعتی بسیار مهم است.

این ماده جدید، از طریق قابلیت های کارآمد و انتخابی جداسازی گاز، می تواند نقشی کلیدی در پیشبرد فناوری های سبز و کاهش ردپای کربن صنایعی که به شدت به جداسازی گاز متکی هستند، ایفا کند.