Forscher finden flexible Lösung zur Trennung von Gasen

Für zahlreiche Branchen ist die Gastrennung ein wichtiger Teil sowohl des Prozesses als auch der Produkte – von der Trennung von Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft für medizinische Zwecke bis hin zur Trennung von Kohlendioxid von anderen Gasen im Prozess der Kohlenstoffabscheidung oder der Entfernung von Verunreinigungen aus Erdgas.

Die Trennung von Gasen kann allerdings sowohl energieintensiv als auch teuer sein.

„Wenn man beispielsweise Sauerstoff und Stickstoff trennt, muss man die Luft auf sehr niedrige Temperaturen abkühlen, bis sie flüssig werden. Dann wird die Temperatur langsam erhöht, sodass die Gase an verschiedenen Stellen verdampfen, sodass eines wieder zu einem Gas wird und sich abtrennt“, erklärt Wei Zhang, Chemieprofessor an der University of Colorado Boulder und Vorsitzender der Abteilung für Chemie. „Das ist sehr energieintensiv und teuer.“

Bei der Gastrennung kommt es häufig auf poröse Materialien an, durch die die Gase strömen und getrennt werden. Auch dies stellt schon seit langem ein Problem dar, da diese porösen Materialien im Allgemeinen spezifisch für die zu trennenden Gasarten sind. Versuchen Sie, andere Gasarten durch sie hindurchzuleiten, und sie funktionieren nicht.

In der Forschung veröffentlicht heute im Journal WissenschaftZhang und seine Kollegen beschreiben einen neuen Typ porösen Materials, das viele verschiedene Gase aufnehmen und trennen kann und aus gängigen, leicht verfügbaren Materialien hergestellt wird. Darüber hinaus kombiniert es Steifigkeit und Flexibilität auf eine Weise, die eine größenbasierte Gastrennung bei deutlich geringerem Energieaufwand ermöglicht.

„Wir versuchen, die Technologie zu verbessern“, sagt Zhang, „und zwar auf eine Weise, die skalierbar und nachhaltig ist.“

Mehr Flexibilität

Lange Zeit waren die porösen Materialien, die bei der Gastrennung verwendet wurden, starr und affinitätsbasiert – spezifisch für die zu trennenden Gasarten. Die Starrheit ermöglicht eine klare Porendefinition und hilft, die Gase bei der Trennung zu lenken, begrenzt aber aufgrund der unterschiedlichen Molekülgrößen auch die Anzahl der Gase, die durchkommen können.

Mehrere Jahre lang arbeiteten Zhang und seine Forschungsgruppe an der Entwicklung eines porösen Materials, das einem Verbindungsknoten in einem ansonsten starren porösen Material ein Element der Flexibilität verleiht. Diese Flexibilität ermöglicht es den molekularen Verbindungsstellen, zu schwingen oder sich mit gleichmäßiger Geschwindigkeit hin und her zu bewegen, wodurch sich die zugängliche Porengröße im Material ändert und es an mehrere Gase angepasst werden kann.

„Wir haben festgestellt, dass die Pore bei Raumtemperatur relativ am größten ist und sich der flexible Linker kaum bewegt, sodass die meisten Gase eindringen können“, sagt Zhang. „Wenn wir die Temperatur von Raumtemperatur auf etwa 50 Grad (Celsius) erhöhen, wird die Schwingung des Linkers größer, wodurch die effektive Porengröße schrumpft, sodass größere Gase nicht eindringen können. Wenn wir die Temperatur weiter erhöhen, werden aufgrund der erhöhten Schwingung und der weiter reduzierten Porengröße mehr Gase abgewiesen. Schließlich kann bei 100 Grad nur noch das kleinste Gas, Wasserstoff, durchkommen.“

Das von Zhang und seinen Kollegen entwickelte Material besteht aus kleinen organischen Molekülen und ähnelt am meisten Zeolith, einer Familie poröser, kristalliner Materialien, die hauptsächlich aus Silizium, Aluminium und Sauerstoff bestehen.

„Es ist ein poröses Material mit vielen hochgeordneten Poren“, sagt er. „Man kann es sich wie eine Bienenwabe vorstellen. Der Großteil davon ist festes organisches Material mit diesen regelmäßig großen Poren, die in einer Reihe angeordnet sind und Kanäle bilden.“

Die Forscher verwendeten eine relativ neue Art der dynamischen kovalenten Chemie, die sich auf die Bor-Sauerstoff-Bindung konzentriert. Sie verwendeten ein Boratom mit vier Sauerstoffatomen darum herum und nutzten die Reversibilität der Bindung zwischen Bor und Sauerstoff, die immer wieder aufbrechen und neu gebildet werden kann, was ein selbstkorrigierendes, fehlerfreies Verhalten ermöglicht und zur Bildung strukturell geordneter Gerüste führt.

„Wir wollten etwas bauen, das abstimmbar, reaktionsfähig und anpassungsfähig ist, und wir dachten, dass die Bor-Sauerstoff-Bindung aufgrund ihrer Reversibilität und Flexibilität eine gute Komponente für die Integration in das von uns entwickelte Gerüst sein könnte“, sagt Zhang.

Nachhaltige Lösungen

Die Entwicklung dieses neuen porösen Materials hat einige Zeit in Anspruch genommen.

Zhang sagt: „Die Herstellung des Materials ist einfach und unkompliziert. Die Schwierigkeit bestand ganz am Anfang, als wir das Material zum ersten Mal erhielten und seine Struktur verstehen oder erklären mussten – wie sich die Bindungen bilden, wie sich Winkel innerhalb dieses Materials bilden, ob es zwei- oder dreidimensional ist. Wir hatten einige Herausforderungen, weil die Daten vielversprechend aussahen, wir wussten nur nicht, wie wir sie erklären sollten. Sie zeigten bestimmte Spitzen (Röntgenbeugung), aber wir konnten nicht sofort herausfinden, welcher Art von Struktur diese Spitzen entsprachen.“

Also gingen er und seine Forschungskollegen einen Schritt zurück, ein wichtiger, aber wenig diskutierter Aspekt des wissenschaftlichen Prozesses. Sie konzentrierten sich auf das Modellsystem kleiner Moleküle, das dieselben reaktiven Stellen wie ihr Material enthielt, um zu verstehen, wie molekulare Bausteine ​​in einem festen Zustand gepackt sind, und das half, die Daten zu erklären.

Zhang fügt hinzu, dass er und seine Forscherkollegen bei der Entwicklung dieses Materials die Skalierbarkeit berücksichtigt hätten, da für seine potenziellen industriellen Anwendungen große Mengen erforderlich wären, „und wir glauben, dass diese Methode hochgradig skalierbar ist. Die Bausteine ​​sind im Handel erhältlich und nicht teuer, sodass sie zu gegebener Zeit von der Industrie übernommen werden könnten.“

Sie haben ein Patent auf das Material angemeldet und setzen die Forschung mit anderen Bausteinmaterialien fort, um die Substratbreite dieses Ansatzes zu ermitteln. Zhang sagt auch, er sehe das Potenzial, mit Ingenieurforschern zusammenzuarbeiten, um das Material in membranbasierte Anwendungen zu integrieren.

„Membrantrennungen verbrauchen im Allgemeinen viel weniger Energie, sodass sie auf lange Sicht nachhaltigere Lösungen sein könnten“, sagt Zhang. „Unser Ziel ist es, die Technologie zu verbessern, um den Bedarf der Industrie auf nachhaltige Weise zu decken.“