Una colaboración internacional de científicos dirigida por Omar Yaghi, químico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Laboratorio Berkeley, ha desarrollado una técnica que denominaron "cristalografía de adsorción de gas" que proporciona una nueva forma de estudiar el proceso mediante el cual el metal-orgánicoLos marcos 3D MOF, los cristales 3D con áreas de superficie interna extraordinariamente grandes, son capaces de almacenar inmensos volúmenes de gases como dióxido de carbono, hidrógeno y metano. Esta nueva mirada a los MOF condujo a un descubrimiento que promete un diseño mejorado deMOF diseñados específicamente para la captura de carbono o para el uso de combustibles de hidrógeno y gas natural metano.
"Hasta este momento hemos estado filmando en la oscuridad en nuestro diseño de MOF sin comprender realmente las razones fundamentales por las que un MOF es mejor que otro", dice Yaghi. "Nuestro nuevo estudio amplía nuestra visión y pensamiento sobre los MOF alintroducir interacciones gas-gas y su organización en superredes que son un factor importante para lograr una alta capacidad de almacenamiento de gases ".
Yaghi, quien inventó los MOF a principios de la década de 1990 mientras estaba en la Universidad Estatal de Arizona, ahora es un científico docente de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y del Departamento de Química de Berkeley de la Universidad de California UC, donde también se desempeña como codirector deKavli Energy NanoScience Institute Kavli-ENSI. Para este último estudio, Yaghi y Osamu Terasaki, químico de la Universidad de Estocolmo, junto con colaboradores de institutos en los Estados Unidos, China, Corea del Sur y Arabia Saudita, conectaron un aparato de adsorción de gascon una forma de cristalografía de rayos X, llamada dispersión de rayos X de ángulo pequeño in situ SAXS. El resultado fue una técnica de cristalografía de adsorción de gas que descubrió evidencia de interacciones cooperativas entre moléculas de gas dentro de un MOF.
"Estas interacciones cooperativas de gas-gas conducen a un comportamiento altamente organizado, lo que resulta en la formación de agregados de gas de aproximadamente 40 nanómetros de tamaño", dice Yaghi. "Los agregados se organizan en estructuras de superredes ordenadas, lo que está en marcado contraste con elopinión predominante de que la adsorción de moléculas de gas por MOF se produce de forma estocástica ".
Yaghi y Terasaki son los autores correspondientes de un artículo que describe este estudio que se ha publicado en Naturaleza . El artículo se titula "Adsorción adicional y adsorbato en la formación de superredes en estructuras organometálicas". Los autores principales son Hae Sung Cho, Hexiang Deng y Keiichi Miyasaka. Otros coautores son Zhiyue Dong, Minhyung Cho, Alexander Neimark y JeungKu Kang.
Desde la invención original de Yaghi, se han creado miles de diferentes tipos de MOF. Un MOF típico consiste en un centro de óxido de metal rodeado de moléculas orgánicas que forman un marco cristalino tridimensional altamente poroso. Las variaciones en esta estructura básica son prácticamente ilimitadasy se puede personalizar para que los poros de un MOF adsorban moléculas de gas específicas, lo que hace que los MOF sean recipientes de almacenamiento de gas potencialmente ideales.
"Un gramo de MOF tiene una superficie de hasta 10,000 metros cuadrados sobre los cuales es posible compactar moléculas de gas en poros MOF como tantas abejas en un panal sin las altas presiones y bajas temperaturas que generalmente se requieren para el almacenamiento de gas comprimido,"Yaghi dice.
La selectividad y la capacidad de absorción de un MOF están determinadas por la naturaleza de la molécula de gas que se adsorbe y sus interacciones con los constituyentes del MOF. Mientras que las interacciones de las moléculas de gas con la superficie interna de un MOF y entre ellas dentro de los poros individuales han sidoestudiado extensamente, las interacciones gas-gas a través de las paredes de los poros de un MOF no se han explorado hasta ahora.
Con su técnica de cristalografía de adsorción de gas basada en SAXS, Yaghi, Terasaki y sus colaboradores descubrieron que la tensión local en el MOF inducida por el llenado de poros puede dar lugar a interacciones de gas-gas colectivas y de largo alcance, lo que resulta en la formación de superredes.que se extienden por varios poros
"Pudimos rastrear y mapear la distribución y el orden de las moléculas de adsorbato en cinco miembros de la serie mesoporosa MOF-74 a lo largo de isotermas de adsorción-desorción completas", dice Yaghi. "En todos los casos, encontramos que la condensación capilar quellena los poros da lugar a la formación de dominios de adsorción extra que abarcan varios poros vecinos y tienen una mayor densidad de adsorbato que los poros sin dominio ".
El siguiente paso, dice Yaghi, será aplicar esta nueva técnica de cristalografía de adsorción de gas a otros sistemas moleculares porosos que pueden servir como recipientes de almacenamiento de gas, como los marcos orgánicos covalentes COF y los marcos de imidazolatos zeolíticos ZIF.
"Queremos generar una visión integral de cómo varios gases interactúan colectivamente dentro del interior de materiales porosos", dice Yaghi. "Luego alimentaremos estos datos en modelos de computadora para mejorar la teoría de la adsorción de gases".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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