Nanosponzen met potentieel voor snelle afvalwaterzuivering

Credit: Internationale editie van Angewandte Chemie (2022). DOI: 10.1002/anie.202206564

Efficiënte adsorbentia voor de behandeling van industrieel afvalwater zijn belangrijk om mogelijke milieuschade te minimaliseren. In het bijzonder zijn organische kleurstoffen, als een belangrijke groep industriële verontreinigende stoffen, gewoonlijk zeer goed oplosbaar in water, niet afbreekbaar en vele zijn giftig tot kankerverwekkend. Changxia Li en Freddy Kleitz van de faculteit scheikunde van de universiteit van Wenen hebben nu samen met collega’s een nieuwe benadering gepresenteerd voor het ontwerpen van een innovatief composietmateriaal, bestaande uit een nanoporeus, ultradun covalent organisch raamwerk (COF) verankerd op grafeen, dat zeer efficiënt is bij het filteren van organische verontreinigende stoffen uit water. De studie is gepubliceerd in Angewandte Chemie.

“Er zijn tegenwoordig verschillende manieren, waaronder actieve koolfilters, om water te zuiveren, maar er is nog ruimte voor verbetering in de efficiëntie of adsorptiecapaciteit van de toepassingen”, zegt eerste auteur en postdoctoraal onderzoeker Changxia Li.

De groep van Freddy Kleitz aan het Institute of Inorganic Chemistry-Functional Materials ontwikkelt nieuwe nanoporeuze materialen. Poreuze materialen hebben een veel groter totaal oppervlak dan een niet-poreus materiaal voor hetzelfde volume en kunnen dus een bijzonder groot aantal moleculen op de oppervlakken accumuleren tijdens adsorptie.

Zeer poreuze COF als een nieuwe klasse materialen

Covalente organische raamwerken (COF’s) zijn een relatief nieuwe klasse van materialen. Ze zijn bijzonder poreus, terwijl ze tegelijkertijd een lage dichtheid en een laag gewicht hebben. Covalent betekent dat hun chemische bindingen worden gevormd via elektronenparen tussen atomen.

De kleurstoffen die de onderzoekers in hun waterige modeloplossing bestudeerden, waren ongeveer 0,8 tot 1,6 nanometer groot. “We hebben een nieuwe methode ontwikkeld om COF op een relatief milieuvriendelijke manier te vormen, met behulp van water. Als zodanig waren we in staat om kleine ‘sponzen’ te ontwikkelen, met ontworpen poriegroottes en porievormen in het nanometerbereik, evenals een afgestemd negatief oppervlaktelading, die zeer selectief was om de positief geladen doelmoleculen, dat wil zeggen onze kleurstoffen, uit het water te trekken,” zeiden de onderzoekers, “Net zoals de spons het water opzuigt, alleen in ons geval zijn het de verontreinigende stoffen.”

Een ruggengraat gemaakt van grafeen

Bij het gebruik van COF-poeder in bulk zijn de binnenporiën van het materiaal vaak niet meer toegankelijk voor verontreinigende stoffen vanwege porieblokkering aan de buitenrand, vooral voor grote vervuilende moleculen. Het nieuwe composietmateriaal dat door de onderzoekers is ontwikkeld, biedt een door en door permeabele structuur: voor dit doel hebben de onderzoekers COF op dunne gelaagde grafeen nanosheets gekweekt. De combinatie van grafeen – op zich al een 2D-laag van koolstofatomen – en de laag COF, die tot twee nanometer dik is, resulteerde in een compacte, open 3D-structuur. De ultradunne COF-laag zou meer adsorptieplaatsen kunnen blootleggen dan het bulk COF-poeder.

Aan de andere kant ondersteunen de grotere, honingraatachtige poriën van het grafeennetwerk het transport van water door het filtermateriaal. “De grote poriën van het grafeennetwerk in combinatie met de ultradunne COF-laag met een groot aantal adsorptieplaatsen maken daarom een ​​bijzonder snelle en efficiënte afvalwaterbehandeling mogelijk”, aldus de onderzoekers. Vanwege de relatief lage materiaalinput van grafeen en de mogelijkheid om het composietmateriaal – nadat de verontreinigende stoffen zijn uitgewassen – opnieuw te gebruiken als filter, is de ontwikkeling ook relatief kostenefficiënt, zeiden ze.