Record-grote poriënmoleculaire kristallen: een sprong in de richting van schone energieopslag

In onze studie gepubliceerd in de Journal of the American Chemical Societyons team van de Universiteit van Hong Kong en Northwestern University, geleid door wijlen Nobelprijswinnaar Fraser Stoddart, ontwikkelde RP-H200, een waterstofgebonden organisch raamwerk (HOF) met de grootste poriën in zijn klasse.

Deze innovatie ontgrendelt nieuwe mogelijkheden voor opslag van duurzame energie, gasscheiding en katalyse.

De uitdaging om stabiele, grote moleculaire kristallen te ontwerpen

Moleculaire kristallen, zoals waterstofgebonden organische frameworks (HOF’s), zijn geordende structuren gevormd door organische moleculen die zijn gekoppeld door niet-covalente interacties, zoals waterstofbruggen of π-π-stapel. Rock Candy, waar sucrosemoleculen kristallen vormen via waterstofbruggen, is een eenvoudig voorbeeld. Het onderscheiden van moleculaire kristallen met porositeit ontgrendelt het enorme potentieel voor gasscheiding, detectie en katalyse.

Toch blijft er een aanhoudende uitdaging: het creëren van moleculaire kristallen met grote, stabiele poriën. Grote, zeer poreuze kristallen missen vaak stabiliteit, terwijl dicht opeengepakte structuren, hoewel robuust, kleine of geen poriën hebben. Deze afweging heeft praktische toepassingen al lang gehinderd.

Onze oplossing

Om deze uitdaging aan te gaan, hebben we een mesoporeus organisch kader met waterstofgebonden (HOF) ontworpen dat grote poriën met uitzonderlijke stabiliteit combineert. Het resultaat is RP-H200, een nieuw moleculair kristal met 3,6-nanometer poriën-de grootste ooit in zijn klasse gerapporteerd.

Deze doorbraak werd bereikt door een unieke niet-Coplanar-assemblagestrategie met behulp van imidazol-geannuleerde Triptyceen-hexaacides. Deze moleculen assembleren zelf in een dubbelwandige, honingraatachtige structuur, waardoor poriën met aromatische oppervlakken worden bekleed.

Het materiaal vertoont een indrukwekkend oppervlak van 2313 m²/g-gelijkwaardig aan een derde van een voetbalveld per gram. Opmerkelijk is dat RP-H200 zijn structurele integriteit bijhoudt bij temperaturen tot 350 ° C en in oplosmiddelen zoals ethanol, zoals bevestigd door röntgendiffractie.

Hoge prestaties in gasopslag

De grote poriën van RP-H200, het uitgestrekte oppervlak en uitzonderlijke stabiliteit maken het ideaal voor het opslaan van schone energie-gassen. Bij 270 K en 100 bar – typische omstandigheden voor methaanopslag – legt het 0,31 gram methaan per gram vast en overtreft het veel bestaande materialen. De aromatische poriënoppervlakken vormen CH-π interacties met methaan, met een adsorptiewarmte van 12 kJ/mol, waardoor efficiënte opslag en afgifte zonder extreme omstandigheden mogelijk worden. RP-H200 slaat ook 6,7% van zijn gewicht in waterstof op bij 77 K, waardoor op waterstof aangedreven voertuigen worden opgevoerd.

Door herhaalde adsorptiecycli bevestigden we de duurzaamheid van RP-H200, zonder significant methaancapaciteitsverlies na drie cycli. Het blijft stabiel in vochtige lucht- en organische oplosmiddelen en positioneert RP-H200 als een praktische oplossing voor real-world energieopslag.

Toekomstige implicaties

Onze niet-coplanaire assemblagestrategie levert ultra-grote poriën, robuuste stabiliteit en oplossingsverwerking, waardoor kosteneffectieve productie mogelijk is. Door organische moleculen te gebruiken, omarmt RP-H200 duurzame chemie en minimaliseert de recyclebaarheid afval.

Dit materiaal opent spannende mogelijkheden voor HOF’s in schone energie, gasscheiding en katalyse. Stel je voor dat lichtgewicht tanks voor voertuigen met methaan aangedreven voertuigen, het verminderen van de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen of medicijnafgiftesystemen die deze poriën gebruiken om medicijnen te transporteren. Onze aanpak kan worden uitgebreid tot andere HOF’s, waardoor de ontwikkeling van functionele moleculaire kristallen voor diverse toepassingen wordt versneld.

Dit verhaal maakt deel uit van Science x dialoogvensterwaar onderzoekers bevindingen kunnen rapporteren uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen. Bezoek deze pagina Voor informatie over het dialoogvenster Wetenschap X en hoe u kunt deelnemen.