Material com alçapão molecular promete adsorção de gás altamente seletiva

Uma equipe internacional liderada por cientistas da City University de Hong Kong encontrou uma estrutura metal-orgânica (MOF) flexível com canais unidimensionais que atua como um “alçapão molecular” para adsorver seletivamente gases, como dióxido de carbono, em resposta a mudanças de temperatura e pressão.

Em trabalho publicado em Pequeno e destaque na contracapa do periódico, pesquisadores incluindo o cientista principal da linha de luz Dr. Qinfen Gu no Síncrotron Australiano, relataram que uma estrutura orgânica metálica iônica (MOF) de canal unidimensional sólida tinha vazios internos que podiam conter moléculas de gás.

Eles descobriram um comportamento de adsorção de gás sensível à temperatura semelhante ao efeito “alçapão molecular” descoberto pelos principais autores há uma década na zeólita CHA, um mineral com uma estrutura tridimensional.

Ânions extra-estruturais, íons carregados negativamente que não fazem parte da estrutura principal de um material, agem como “portas” que mudam de suas posições usuais sob calor ou pressão, permitindo a entrada de gás.

A separação de gás é crucial em vários contextos industriais, incluindo aplicações como separação de gás natural, captura de carbono e purificação de hidrogênio, entre outros. No entanto, atingir alta seletividade de gás é difícil quando os gases são semelhantes em tamanho e compartilham propriedades.

Diferentes moléculas convidadas criam barreiras de energia variadas para o desvio de ânions (abertura momentânea da comporta) em ligantes baseados em piridina, permitindo a separação de gases com base em diferentes temperaturas limite específicas para admissão exclusiva de gases.

Ânions maiores e esféricos melhoraram a seletividade para gases como o gás de efeito estufa CO₂/CH₄hidrocarbonetos C₃E₆/C₃E₈ e gás natural N₂/CH₄.

Embora isso tenha sido observado em baixas temperaturas e com capacidades de separação limitadas, os pesquisadores sugeriram que o conceito pode ser aplicado para projetar outros tipos de MOFs. A descoberta pode levar à criação de MOFs “alçapão molecular” com altas áreas de superfície que oferecem melhor capacidade e desempenho de separação.

“Esta descoberta desafia a visão tradicional de que a adsorção de gás se refere apenas à afinidade do gás ou à peneiração baseada no tamanho, destacando o papel dos movimentos de ânions induzidos por hóspedes na difusão de gás dentro dos MOFs”, disse o Prof. Jin Shang, Professor Associado da Escola de Energia e Meio Ambiente da Universidade da Cidade de Hong Kong, que supervisionou o primeiro autor Yuanmeng Tian.

A flexibilidade dos MOFs em relação à temperatura foi cuidadosamente investigada, já que o comportamento de abertura de comportas desencadeado pela temperatura nos MOFs é tipicamente associado à transformação estrutural.

Experimentos de difração de raios X de cristal único in situ e medições de difração de raios X de pó síncrotron in situ foram realizados em diferentes temperaturas para identificar a flexibilidade topológica de MOFs usando as linhas de luz de cristalografia macromolecular e difração de pó no Síncrotron Australiano.

“A difração de XRD foi usada para entender a flexibilidade da estrutura e o movimento dos ânions como guardiões em resposta à temperatura, bem como confirmar o sucesso da troca aniônica e determinar a taxa de troca”, explicou o Dr. Gu.

A cientista da linha de luz de cristalografia macromolecular, Dra. Stefanie Bird, auxiliou nas medições de cristais individuais que forneceram informações sobre mudanças estruturais em diferentes temperaturas.