Os pesquisadores do grupo da Dra. Stefania Grecea da Química Sustentável com Prioridade de Pesquisa da Universidade de Amsterdã desenvolveram uma maneira de aprimorar o desempenho prático das estruturas metal-orgânicas (MOFs). Usando folhas de choupo preto como modelo, eles produziram estruturas porosas hierárquicas de materiais de óxidos de metais mistos que podem atuar como suporte para os cristais MOF. Em uma edição recente da revista Materiais e interfaces aplicados ACS , Ph.D. estudante Yiwen Tang, em colaboração com o Dr. David Dubbeldam do grupo UvA Computational Chemistry, demonstrar as propriedades únicas de adsorção e separação do design bioinspirado.

A separação de misturas água-álcool é um dos problemas mais desafiadores associados à aplicação prática do bioetanol como combustível sustentável. Produzido a partir de matérias-primas agrícolas, fazendas de algas ou a fermentação de melaço, o bioetanol contém água e metanol como impurezas. A obtenção de bioetanol de grau combustível a partir dessas misturas de água-álcool usando a destilação tradicional não é prática porque a água e o etanol formam a chamada mistura azeotrópica.

A alternativa econômica e ecológica para a destilação é a separação por adsorção. Na produção de biocombustíveis, este método baseia-se no desenvolvimento de materiais adsorventes altamente seletivos em relação ao etanol ou às impurezas da mistura. Na Química Sustentável da Área de Prioridade de Pesquisa da Universidade de Amsterdã, o grupo da Dra. Stefania Grecea desenvolve abordagens sintéticas para projetar materiais de base molecular porosa com tais propriedades de adsorção seletiva.

Materiais Adsorventes

Os materiais adsorventes adequados para aplicações de separação devem ter uma estrutura porosa apropriada e uma área de superfície específica elevada para facilitar a adsorção e a difusão de moléculas específicas. Uma classe específica de materiais adsorventes são estruturas metal-orgânicas (MOFs). Eles têm uma área específica elevada e ajustando o tamanho e a funcionalidade de seus poros a nível molecular, seletividades de adsorção específicas podem ser alcançadas.

Contudo, a aplicação prática também depende de suas propriedades macroscópicas. Freqüentemente, os MOFs são sintetizados como pós de minúsculos cristais. Eles não podem ser usados ​​diretamente em aplicações industriais porque têm densidade de embalagem limitada, bem como altas barreiras de difusão. Uma solução é moldar MOFs como grânulos, pelotas ou monólitos, ou para dispersá-los em filmes finos, criando membranas. Contudo, a pressão aplicada em tais métodos de modelagem leva à perda de cristalinidade e, portanto, à redução da atividade ou mesmo à inativação dos materiais MOF. Portanto, ainda é um grande desafio encontrar o método de processamento mais apropriado de MOFs.

Olhando as folhas

Em busca de maneiras de melhorar o desempenho do MOF, os pesquisadores de Amsterdã se voltaram para a natureza, em particular, às folhas verdes das plantas. Os cientistas já usaram folhas naturais como modelos para projetar fotocatalisadores heterogêneos, uma vez que são estruturados para fornecer colheita de luz eficiente. Essas estruturas foliares artificiais têm se mostrado muito eficazes para a produção de hidrogênio.

Os pesquisadores da UvA se inspiraram no sistema natural de veias da folha que evoluiu para o transporte de líquidos aquosos. É um sistema poroso hierárquico composto por muitas fibras e vasos de diferentes tamanhos. Na tecnologia de separação, materiais hierarquicamente porosos com poros de vários níveis frequentemente apresentam desempenho de adsorção aprimorado em comparação com materiais porosos de tamanho uniforme.

Portanto, os pesquisadores sintetizaram um material de óxido de metal misto com uma estrutura porosa hierárquica usando um método sol-gel em que folhas naturais de choupo preto (Populous nigra) foram usadas como modelo. Essa folha artificial de óxido misto foi então usada como suporte para criar uma camada homogeneamente dispersa de cristais MOF.

Estudos morfológicos detalhados mostraram que o material composto resultante realmente tem uma estrutura porosa hierárquica e que os cristais MOF com distribuição de tamanho estreita estão homogeneamente dispersos na superfície interna dos poros hierárquicos.

Estudos de performance

À luz da aplicação na purificação de bioetanol, Yiwen Tang estudou a água, metanol e propriedades de adsorção de etanol do novo material. Ele estabeleceu que a seletividade varia na ordem metanol> etanol> agua. Simulações moleculares subsequentes realizadas pelo Dr. David Dubbeldam usando misturas equimolares de etanol-metanol mostraram que a adsorção de metanol é altamente seletiva na faixa de baixa pressão. Além disso, o material é eficaz na separação de misturas de água e etanol com etanol sendo adsorvido seletivamente na faixa de baixa pressão, enquanto a água é adsorvida seletivamente em altas pressões.

Os pesquisadores concluem que sua abordagem sintética bioinspirada é altamente relevante não apenas para aplicações de separações moleculares, mas também como uma estratégia geral para projetar materiais compostos MOF para várias aplicações, incluindo catálise e detecção molecular.