Nový kompozitní materiál, který zachycuje kyslík selektivně, by mohl být užitečný pro energetické aplikace, jako jsou palivové články

11. Září - Nový Pearl Harbor - 2. část (Smět 2019).

Anonim

Nenákladné materiály, které se nazývají MOF, vytlačují plyny ze vzduchu nebo jiných proudů smíšených plynů, ale nedokážou to s kyslíkem. Nyní tým překonal toto omezení vytvořením kompozitu z MOF a pomocné molekuly, ve které dva spolupracují na oddělení kyslíku od ostatních plynů jednoduše a levně.

Výsledky uvedené v dnešních Pokročilých materiálech by mohly pomáhat s celou řadou aplikací, včetně výroby čistého kyslíku pro palivové články, používání tohoto kyslíku v palivovém článku, odstranění kyslíku v balení potravin, vytváření kyslíkových senzorů nebo pro jiné průmyslové procesy. Tato technika může být také použita s jinými plyny než kyslíkem, a to vypnutím pomocné molekuly.

V současné době průmysl používá společný proces nazývaný kryogenní destilace k oddělení kyslíku od ostatních plynů. To je nákladné a využívá spoustu energie k chlazení plynů. Také to nemůže být použito pro specializované aplikace, jako jsou senzory, nebo získání posledního kyslíku z balení potravin.

Velký odlučovač kyslíku by se snadno připravil a použil, byl levný a byl opět použitelný. MOF nebo kovové organické rámce jsou materiály, které obsahují spoustu pórů, které mohou nasávat plyny jako houby, které nasávají vodu. Mají potenciál v separaci jaderných paliv av lehkých odvlhčovačích.

Ale z tisíců MOF tam venku, méně než hrst absorbuje molekulární kyslík. A tyto MOF chemicky reagují s kyslíkem, vytvářejí oxidy - myslí si, že koroze - to činí materiál nepoužitelný.

"Když jsme poprvé spolupracovali s MOF na separaci kyslíku, mohli bychom několikrát využívat MOF. Mysleli jsme si, že je možná lepší způsob, jak to udělat, " řekl vědecký pracovník Praveen Thallapally z Národního laboratoře Pacific Northwest Department of Energy.

Nový přístup pro Thallapally a jeho spolupracovníky na PNNL zahrnoval použití druhé molekuly k zprostředkování separace kyslíku - pomocná molekula by byla přitahována, ale chemicky nezajímavá v MOF. Místo toho by pomocník reagoval s kyslíkem, aby se oddělil od ostatních plynů.

Vybrali si MOF nazvanou MIL-101, který je známý svou vysokou povrchovou plochou - což je silná houba - a nedostatek reaktivity. Jedna čajová lžička MIL-101 má stejnou plochu jako fotbalové hřiště. Vysoká plocha pochází z pórů MOF, kde reaktivní MOF pracují s magií.

MOF, které reagují s kyslíkem, musí být v laboratoři pečlivě manipulovány, ale MIL-101 je stabilní při okolní teplotě a v otevřené atmosféře laboratoře. Pro svou pomocnou molekulu zkoušeli ferrocen, což je levná molekula obsahující železo.

Vědci sestavili složku MIL-101 a ferrocenu tak, že je míchali a zahřívali. Počáteční testy ukázaly, že MIL-101 převzal více než svou hmotnost ve ferrocenu a zároveň ztrácel plochu. To naznačilo, že železo přebírá prostor uvnitř pórů MOF, kde potřebují, aby zachytili kyslík.

Poté tým poslal plyny černým kompozitním materiálem. Materiál spojil velké množství kyslíku, ale téměř žádný přidaný dusík, argon nebo oxid uhličitý. Materiál se choval tak, že plyny procházely jednotlivě nebo jako směs, což ukazuje, že kompozit mohl ve skutečnosti oddělit kyslík od ostatních.

Další analýza ukázala, že zahřátí způsobilo, že se ferocen rozkládá v pórech na klastry o velikosti nanometrů, které umožňují železo reagovat s kyslíkem. Tato reakce tvořila stabilní minerál známý jako maghemit, vše v pórech MOF. Magemit by mohl být z MOF odstraněn, aby MOF byl použit znovu.

Společně výsledky na kompozitu ukázaly, že MOF by mohl být schopen dělat nečekané věci - jako je čištění kyslíku - s malou pomocí. Budoucí výzkum prozkoumá další kombinace MOF a pomocných molekul.

Vedle PNNL zúčastněné výzkumné pracovníky přivítaly a používaly analytické nástroje ve dvou pracovištích Office of Science User, Laboratoři environmentálních molekulárních věd v PNNL a Advanced Photon Source v Argonne National Laboratory, stejně jako na univerzitě v Amsterdamu. Tato práce byla podpořena Úřadem pro energetiku.

menu
menu