I materiali innovativi chiamati strutture metalliche organiche (MOF) potrebbero diventare molto più versatili a seguito di ricerche che dimostrano che possono essere manipolati come liquidi.

I MOF sono solidi cristallini altamente porosi con ioni metallici o cluster metallici uniti da gruppi di collegamento organici (a base di carbonio). La variazione di queste parti può creare un'enorme varietà di solidi con pori interni in grado di intrappolare molecole selezionate o catalizzare reazioni chimiche.

"Questi materiali cristallini sono difficili da lavorare, ma abbiamo sviluppato un modo per solubilizzarli, " afferma Anastasiya Bavykina del team di ricerca del KAUST Catalysis Center.

I ricercatori KAUST hanno prodotto membrane composte dal MOF incorporato in un polimero, che dicono possa raggiungere prestazioni eccezionali nella difficile separazione del gas propilene dal propano.

"Questo è rivoluzionario, " afferma Bavykina. Il propilene è una materia prima fondamentale per l'industria chimica; viene utilizzato per produrre il polipropilene polimerico utilizzato in molti prodotti. Può anche essere convertito in altri polimeri e sostanze chimiche utili a livello industriale, ma deve prima essere separato dal propano con cui generalmente viene mescolato.

"Se le attuali tecnologie di separazione propano-propilene ad alta intensità energetica, a base di distillazione, potrebbe essere sostituito dalla nostra tecnologia a membrana MOF, allora questo potrebbe far risparmiare circa lo 0,1 percento del consumo energetico globale, " sottolinea il coautore Shuvo Datta.

Una sfida per il team era far sì che un MOF cristallino si comportasse come un liquido poroso. Il team ha scoperto come modificare la superficie di nanoparticelle MOF relativamente grandi con gruppi chimici adatti. Questa "funzionalizzazione superficiale" ha permesso alle nanoparticelle di formare dispersioni stabili in un solvente liquido.

Un'altra sfida era garantire che i pori interni dei MOF rimanessero vuoti e in grado di assorbire e consentire la permeazione delle molecole di gas desiderate. Gli spazi porosi e le molecole di solvente devono essere attentamente controllati per evitare che il solvente riempia gli spazi vuoti.

"Non è nemmeno facile dimostrare effettivamente che un liquido è poroso, " aggiunge Bavykina. I ricercatori hanno dovuto sviluppare una nuova configurazione sperimentale per raggiungere questo obiettivo.

Le dispersioni MOF in fase liquida possono separare miscele di gas che vengono fatte gorgogliare attraverso di esse, ma il team ha ottenuto una maggiore flessibilità incorporando un MOF nelle loro membrane polimeriche flessibili e robuste. Ciò ha consentito a un sistema a flusso continuo di funzionare fino a 30 giorni, producendo propilene puro al 97% da una miscela propano-propilene 50/50 che è stata efficacemente filtrata dalla membrana.

Il team ora vuole ampliare la propria procedura per dimostrarne il potenziale commerciale. Cercheranno anche di applicarlo ad altri importanti processi di separazione dei gas industriali.

Lo studio è pubblicato su Materiali della natura .