Wissenschaftler der EPFL haben die erste metallorganische Netzwerkmembran mit einer Dicke von nur einer Einheitszelle synthetisiert. Die ultradünne Folie ermöglicht eine Rekordleistung bei der Trennung von Wasserstoff.
Metallorganische Frameworks (MOFs) sind eine Kategorie von Materialien mit Poren im Nanometerbereich. Diese Poren verleihen MOFs eine rekordverdächtige innere spezifische Oberfläche und machen sie extrem vielseitig für eine Reihe von Anwendungen, darunter die Trennung von Petrochemikalien und Gasen, die Nachahmung von DNA, die Wasserstofferzeugung und die Extraktion von Schwermetallen, Fluoridanionen und sogar Gold aus Wasser.
Im Bereich der Gastrennung sind MOFs besonders interessant, um Wasserstoff von Stickstoff zu trennen, was für die Erzeugung sauberer Energie, die Verbesserung der Effizienz von Brennstoffzellen, die Ammoniaksynthese und verschiedene industrielle Prozesse von entscheidender Bedeutung ist. Die Trennung von Wasserstoff und Stickstoff bietet auch eine Reihe von Vorteilen für die Umwelt und ist daher unerlässlich, um nachhaltige Technologien und Industriepraktiken voranzutreiben.
Ein Team von Forscherinnen und Forschern unter der Leitung von Kumar Varoon Agrawal von der Fakultät für Grundlagenwissenschaften der EPFL hat einen MOF-Film mit der geringstmöglichen Dicke entwickelt, der ein bisher unerreichtes Niveau der Wasserstoff-Stickstoff-Trennung erreichen kann. Die Forscherinnen und Forscher arbeiteten mit einem MOF-Typ namens Imidazolat-Zeolith-Netzwerk (ZIF). Dieses stößt aufgrund seines Potenzials für Molekulartrennungen, Detektion und andere Anwendungen auf großes Interesse.
Zur Herstellung der Filme verwendeten die Forscherinnen und Forscher eine innovative Kristallisationsmethode, die sich die genaue Ausrichtung der ultradünnen Vorläufermischungen mit dem darunter liegenden kristallinen Substrat zunutze macht. Durch die sorgfältige Kontrolle der Konzentrationen der Vorläuferstoffe und der Wechselwirkungen mit dem Substrat gelang es dem Team, das außerplanmäßige Wachstum zu unterdrücken - ein häufiges Problem bei der Herstellung von Dünnschichten.
Der Ansatz war erfolgreich: Innerhalb weniger Minuten gelang es den Wissenschaftlern, bei Raumtemperatur zweidimensionale (2D) ZIF-Filme herzustellen, die makroskopisch einheitlich und so dick wie nie zuvor waren (eine einzelne Struktureinheit misst nur zwei Nanometer). Die Wissenschaftler haben auch gezeigt, dass der Prozess skalierbar ist und die Herstellung von Filmen mit einer Fläche von mehreren hundert Quadratzentimetern ermöglicht. Dieser Fortschritt übertrifft die herkömmlichen Methoden, die die Dicke des ZIF-Films auf 50 Nanometer begrenzten, was seine Verwendung in großem Maßstab schwierig macht.
Der ZIF-Film weist eine einzigartige Konfiguration auf: eine Dicke im Nanometerbereich und eine einheitliche Anordnung von sechsgliedrigen Zink-Imidazolat-Koordinationsringen für die Wasserstoffsiebung. Kumar Varoon Agrawal erklärt: "Dies ermöglicht eine außergewöhnliche Kombination aus Wasserstofffluss und Selektivität, die ein enormes Potenzial für hocheffiziente Gastrennungsanwendungen bietet."
Referenzen
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. Unit-cell-thick zeolitic imidazolate framework films for membrane application. Nature Materials 21. September 2023. DOI: 10.1038/s41563’023 -01669-z
