I ricercatori del gruppo della dott.ssa Stefania Grecea presso la Research Priority Sustainable Chemistry dell'Università di Amsterdam hanno escogitato un modo per migliorare le prestazioni pratiche delle strutture metallo-organiche (MOF). Usando le foglie del pioppo nero come modello, hanno prodotto strutture porose gerarchiche di materiali di ossido di metallo misto che possono fungere da supporto per i cristalli MOF. In una recente edizione della rivista Materiali e interfacce applicati ACS , dottorato di ricerca studente Yiwen Tang, in collaborazione con il Dr. David Dubbeldam del gruppo UvA Computational Chemistry, dimostrare le proprietà uniche di adsorbimento e separazione del design bio-ispirato.

La separazione delle miscele acqua-alcol è uno dei problemi più impegnativi associati all'applicazione pratica del bioetanolo come combustibile sostenibile. Prodotto da materie prime agricole, allevamenti di alghe o la fermentazione della melassa, il bioetanolo contiene sia acqua che metanolo come impurità. L'ottenimento di bioetanolo di qualità combustibile da queste miscele di acqua e alcol utilizzando la distillazione tradizionale non è pratico perché l'acqua e l'etanolo formano una cosiddetta miscela azeotropica.

L'alternativa economica ed ecologica alla distillazione è la separazione adsorbente. Nella produzione di biocarburanti, questo metodo si basa sullo sviluppo di materiali adsorbenti altamente selettivi nei confronti dell'etanolo o delle impurità nella miscela. Presso l'Area prioritaria di ricerca della Chimica sostenibile dell'Università di Amsterdam, il gruppo della Dott.ssa Stefania Grecea sviluppa approcci sintetici per la progettazione di materiali porosi a base molecolare con tali proprietà di adsorbimento selettivo.

Materiali adsorbenti

I materiali adsorbenti adatti per le applicazioni di separazione dovrebbero avere una struttura porosa appropriata e un'elevata superficie specifica per facilitare sia l'adsorbimento che la diffusione di molecole specifiche. Una classe specifica di materiali adsorbenti sono le strutture metallo-organiche (MOF). Hanno un'area specifica elevata e regolando le dimensioni e la funzionalità dei loro pori a livello molecolare, si possono ottenere specifiche selettività di adsorbimento.

Però, l'applicazione pratica dipende anche dalle loro proprietà macroscopiche. Spesso i MOF sono sintetizzati come polveri di minuscoli cristalli. Questi non possono essere utilizzati direttamente nelle applicazioni industriali perché hanno una densità di imballaggio limitata e barriere alla diffusione elevate. Una soluzione è modellare i MOF come granuli, pellet o monoliti, o per disperderli all'interno di film sottili, creare membrane. Però, la pressione applicata in tali metodi di sagomatura porta alla perdita di cristallinità e quindi a ridotta attività o addirittura inattivazione dei materiali MOF. È quindi ancora una bella sfida trovare il metodo di elaborazione più appropriato dei MOF.

Guardando le foglie

Alla ricerca di modi per migliorare le prestazioni MOF, i ricercatori di Amsterdam si sono rivolti alla natura, in particolare, alle foglie delle piante verdi. Gli scienziati hanno già utilizzato foglie naturali come modelli per progettare fotocatalizzatori eterogenei, poiché sono strutturati per fornire un'efficiente raccolta della luce. Tali strutture fogliari artificiali si sono dimostrate molto efficaci per la produzione di idrogeno.

I ricercatori dell'UvA si sono ispirati al sistema venoso naturale delle foglie che si è evoluto per il trasporto di liquidi acquosi. È un sistema poroso gerarchico costituito da molte fibre e vasi di diverse dimensioni. Nella tecnologia di separazione, i materiali gerarchicamente porosi con pori multilivello spesso presentano prestazioni di adsorbimento migliorate rispetto ai materiali porosi di dimensioni uniformi.

Perciò, i ricercatori hanno sintetizzato un materiale di ossido di metallo misto con una struttura porosa gerarchica utilizzando un metodo sol-gel in cui le foglie naturali del pioppo nero (Populous nigra) sono state utilizzate come modello. Questa foglia artificiale in ossido misto è stata quindi utilizzata come supporto per creare uno strato omogeneo di cristalli MOF.

Studi morfologici dettagliati hanno mostrato che il materiale composito risultante ha effettivamente una struttura porosa gerarchica e che i cristalli MOF con una stretta distribuzione delle dimensioni sono dispersi omogeneamente sulla superficie interna dei pori gerarchici.

Studi sulle prestazioni

Alla luce dell'applicazione nella purificazione del bioetanolo, Yiwen Tang studiò l'acqua, proprietà di adsorbimento di metanolo ed etanolo del nuovo materiale. Ha stabilito che la selettività varia nell'ordine metanolo> etanolo> acqua. Le successive simulazioni molecolari eseguite dal Dr. David Dubbeldam utilizzando miscele equimolari di etanolo-metanolo hanno mostrato che l'adsorbimento di metanolo è altamente selettivo nell'intervallo di bassa pressione. Inoltre, il materiale è efficace nel separare miscele di acqua-etanolo con etanolo che viene adsorbito selettivamente nell'intervallo di bassa pressione, mentre l'acqua viene adsorbita selettivamente ad alte pressioni.

I ricercatori concludono che il loro approccio sintetico di ispirazione biologica è molto rilevante non solo per le applicazioni di separazioni molecolari, ma anche come strategia generale per la progettazione di materiali compositi MOF per varie applicazioni, compresa la catalisi e il rilevamento molecolare.