Gli scienziati dell’EPFL hanno sintetizzato la prima membrana reticolare organometallica con uno spessore di una sola cella unitaria. Il film ultrasottile offre prestazioni record nella separazione dell’idrogeno.
I quadri metallo-organici (MOF) sono una classe di materiali con pori su scala nanometrica. Questi pori conferiscono ai MOF aree superficiali interne da record, rendendoli estremamente versatili per una serie di applicazioni, tra cui la separazione di prodotti petrolchimici e gas, il mimetismo del DNA, la produzione di idrogeno e l’estrazione di metalli pesanti, anioni fluoruro e persino oro dall’acqua.
Nel campo della separazione dei gas, i MOF sono particolarmente interessanti per la separazione dell’idrogeno dall’azoto, essenziale per la produzione di energia pulita, per migliorare l’efficienza delle celle a combustibile, per la sintesi dell’ammoniaca e per vari processi industriali. La separazione dell’idrogeno e dell’azoto offre anche una serie di vantaggi ambientali, che la rendono essenziale per il progresso delle tecnologie e delle pratiche industriali sostenibili.
Un team di ricercatori guidato da Kumar Varoon Agrawal della Facoltà di Scienze di Base dell’EPFL ha sviluppato un film MOF con il più piccolo spessore possibile, in grado di raggiungere livelli di separazione idrogeno-azoto senza precedenti. I ricercatori hanno lavorato con un tipo di MOF chiamato rete zeolitica imidazolata (ZIF). Questo tipo di MOF sta suscitando grande interesse per il suo potenziale nelle separazioni molecolari, nella rilevazione e in altre applicazioni.
Per realizzare i film, i ricercatori hanno utilizzato un metodo di cristallizzazione innovativo che sfrutta l’allineamento preciso delle miscele di precursori ultradiluiti con il substrato cristallino sottostante. Controllando attentamente le concentrazioni dei precursori e le interazioni con il substrato, il team è riuscito a eliminare la crescita fuori piano, un problema comune nella produzione di film sottili.
L’approccio ha dato i suoi frutti: in pochi minuti e a temperatura ambiente, gli scienziati sono riusciti a produrre film ZIF bidimensionali (2D) macroscopicamente uniformi e di uno spessore senza precedenti (una singola unità strutturale misura appena due nanometri). Gli scienziati hanno anche dimostrato che il processo è scalabile, rendendo possibile la preparazione di film con una superficie di diverse centinaia di centimetri quadrati. Questa scoperta va oltre i metodi tradizionali, che hanno limitato lo spessore delle pellicole ZIF a 50 nanometri, rendendone difficile l’utilizzo su larga scala.
Il film ZIF ha una configurazione unica: uno spessore nanometrico e una serie uniforme di anelli di coordinazione a sei membri di zinco-imidazolato per la schermatura dell’idrogeno. Kumar Varoon Agrawal spiega: "Questo permette una combinazione eccezionale di flusso di idrogeno e selettività, offrendo un immenso potenziale per applicazioni di separazione dei gas altamente efficienti".
Riferimenti
Qi Liu, Yurun Miao, Luis Francisco Villalobos, Shaoxian Li, Heng-Yu Chi, Cailing Chen, Mohammad Tohidi Vahdat, Shuqing Song, Deepu J. Babu, Jian Hao, Yu Han, Michael Tsapatsis, Kumar Varoon Agrawal. Film di struttura zeolitica imidazolata a spessore unitario per applicazioni su membrane. Nature Materials 21 settembre 2023. DOI: 10.1038/s41563’023 -01669-z
