Laat een metal-organic framework (MOF) groeien op een drager gebaseerd op een populierenblad en je kunt er heel selectief alcohol-watermengsels mee scheiden, laten Amsterdamse onderzoekers zien in ACS Applied Materials & Interfaces.

Bij de productie van bio-ethanol is een van de grootste obstakels het verwijderen van water en methanol uit je product. Een aantal MOFs is al getest op adsorptie en scheiding, maar de meesten zijn niet stabiel in een waterige omgeving. Yiwen Tang, Stefania Grecea en collega’s van de Universiteit van Amsterdam zochten daarom naar een betere kandidaat, onder andere met hulp van David Dubbeldam die de theoretische berekeningen voor zijn rekening nam.

Zij vonden die in een zeolitisch imidazolaat framework (ZIF-8), maar zochten tegelijk een nieuwe manier om dat MOF te synthetiseren. Normaal gesproken gebruik je hydrothermale of solvothermale synthesemethoden, die het MOF in poedervorm opleveren. Die poeders zijn alleen onhandig, omdat ze een gelimiteerde opslagdichtheid hebben naast een hoge diffusiebarrière. Je kunt dat tegengaan door ze met hoge druk in andere vormen te persen, maar hierbij gaat de kristallijne structuur – en dus de activiteit – verloren.

De Amsterdammers zochten daarom inspiratie in ontwerp uit de natuur en vonden die in het groene blad van de Populus nigra, de zwarte populier. Groene bladeren bevatten zogenaamde hiërarchische poriën, dat wil zeggen: poriën die sterk verschillen in grootte. Dat soort poriën zorgt over het algemeen voor een lagere diffusiebarrière en betere adsorptieprestaties. De onderzoekers wilden eenzelfde hiërarchische poriestructuur in ZIF-8 krijgen en bestudeerden daarom het populierenblad wat beter.

Om het kunstmatige blad te maken als drager koos het team TiO₂ en SiO₂ (TSO) – TiO₂ omdat het de beste eigenschappen had en SiO₂ om te zorgen dat de primaire nerfstructuur niet in zou storten. Door de ZIF-kristallen te laten groeien op het TSO-kunstblad vormden ze ZIF-8@TSO met zowel macro- en mesoporiën van het blad als microporiën van het MOF.

Daarna testten de onderzoekers de scheidingscapaciteit van het nieuwe materiaal. Bij lage druk bleek methanol goed aan ZIF-8@TSO te adsorberen in een methanol-ethanolmengsel; in een water-ethanolmengsel kon het bij lage druk selectief ethanol en bij hoge druk juist selectief water adsorberen.

Nu is het nog zien of en hoe ZIF-8@TSO in de industrie een rol kan gaan spelen.