Separación de gases mediante tamices moleculares flexibles

Investigadores han encontrado importantes hallazgos relacionados con los marcos metal-orgánicos (MOF), una clase de materiales porosos, que podrían beneficiar a una gama muy amplia de importantes procesos de separación de gases.


La naturaleza dinámica y la flexibilidad de los tamices moleculares es crucial para comprender su desempeño para el transporte de moléculas pequeñas. Crédito: University of Liverpool.

Investigadores de la Universidad de Liverpool y la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah han informado sobre algunos hallazgos interesantes relacionados con los marcos metal-orgánicos (MOF), una clase de materiales porosos, que podrían beneficiar a una amplia gama de importantes procesos de separación de gases.


Las estructuras organometálicas (MOF) son una clase relativamente nueva de materiales cristalinos porosos con una amplia gama de aplicaciones.


Algunos MOF pueden actuar como un tamiz molecular, permitiendo que un tipo de molécula de gas de una mezcla pase mientras bloquea las otras. Por ejemplo, se sabe que algunos MOF separan el propileno del propano, un proceso importante en la fabricación de plásticos de polipropileno para los que se requiere propileno de alta pureza.


En un primer artículo publicado en Nature Communications, los investigadores demuestran que, a diferencia de un tamiz de cocina, estos tamices moleculares tridimensionales pueden cambiar la forma de sus poros y su flexibilidad es vital para este rendimiento.


El modelo computacional, respaldado por datos experimentales de rayos X, indica que para uno de esos MOF de alto rendimiento, llamado KAUST-7, los cambios estructurales en el MOF desencadenados por la presencia de moléculas de gas de propileno y propano son cualitativamente diferentes y dan como resultado una adsorción más fuerte y un transporte más rápido de propileno eliminando así esencialmente las moléculas de propano.


Sin embargo, es difícil predecir qué otros tipos de MOF poseen esta flexibilidad funcional y, por lo tanto, también podrían ser buenos para una separación de gas determinada porque el rendimiento está controlado por interacciones moleculares específicas que son difíciles de anticipar o identificar experimentalmente.


En un segundo artículo publicado en Physical Chemistry Chemical Physics, los investigadores se centran en este desafío. Desarrollaron un enfoque de cribado computacional para evaluar más de cuatro mil MOF informados anteriormente por su flexibilidad cuando actúan como un tamiz molecular. Usando este enfoque, identificaron los cuatro MOF principales que muestran el potencial de separar el propileno del propano; ya se sabe que dos de ellos tienen un buen rendimiento, mientras que los otros dos aún no se han probado para esta aplicación de manera experimental.


El Dr. Matthew Dyer, profesor de Química y parte del Centro de Investigación de Leverhulme para el Diseño de Materiales Funcionales de la Universidad de Liverpool, dijo: “Los MOF han atraído un interés considerable en los últimos años y hay grandes esperanzas de aplicaciones técnicas especialmente para MOF flexibles.


“Nuestra investigación se suma a nuestro conocimiento de los MOF, porqué algunos pueden actuar como tamices y cuáles muestran flexibilidad.


“Utilizando un enfoque computacional, podemos identificar MOF flexibles y estos hallazgos tienen el potencial de hacer que el proceso de purificación de gases sea más eficiente energéticamente. Esto es importante en términos de la fabricación de plásticos de alta calidad que necesitan compuestos de partida puros que comúnmente se extraen de subproductos gaseosos en el procesamiento petroquímico".


“Estos enfoques de cribado de alto rendimiento se pueden aplicar a muchos materiales diferentes con distintas aplicaciones potenciales. Tienen el potencial de cambiar la forma en que encontramos materiales para enfrentar los desafíos tecnológicos".




 

Más información: Dmytro Antypov et al. Differential guest location by host dynamics enhances propylene/propane separation in a metal-organic framework. Nature communications (2020). DOI:10.1038/s41467-020-19207-9

 

Nota original: University of Liverpool

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