In Delft is bedacht hoe je ‘metal organic frameworks’ kunt maken in plakjes van micrometers groot en nanometers dik. In die vorm kun je ze verwerken in een polymeermembraan en er gassen mee scheiden, schrijven Jorge Gascon en collega’s in Nature Materials.

De structuur van zo’n MOF is van nature gelaagd maar je de natuur zijn gang laat gaan, stapelen de lagen zichzelf op tot kristallen waarvan alle zijden ongeveer even groot zijn. Daar kun je interessante dingen mee doen maar in een membraan heb je er niet veel aan.

De kunst is dus om de groei te stoppen voordat de kristallen te dik worden. Gascon doet dat dat door te werken met drie vloeistoflagen, die dankzij verschillende dichtheden op elkaar blijven drijven. In de bovenste laag los je de ene component van het MOF op, in de onderste de andere component. Beide componenten zullen langzaam naar de middelste laag diffunderen en daar uitkristalliseren. Maar zodra ze een zekere dikte bereiken, zakken ze door hun eigen gewicht weg in de onderste vloeistoflaag waar ze bij gebrek aan één van beide componenten niet verder kunnen groeien.

In de praktijk is het uitgeprobeerd met koper 1,4-benzeendicarboxylaat als MOF. Als oplosmiddel dienen mengsels van N,N-dimethylformamide en acetonitril in drie verschillende verhoudingen; in principe zijn de drie lagen dus gewoon mengbaar maar als je zorgvuldig werkt duurt het wel een tijdje eer ze in elkaar op gaan. De bovenste laag bevat koper(II)nitraat, de onderste tereftaalzuur. Inderdaad blijk je zo vierkante MOF-velletjes te kunnen kweken met zijden van enkele micrometers en diktes die variëren van 5 tot 25 nanometer. Die laatste waarde hangt sterk af van de temperatuur waarbij je werkt.

Om die velletjes te gebruiken voor gasscheiding, meng je een paar gewichtsprocent door een oplossing van polyimide waar je vervolgens een 30 tot 50 micrometer dik membraan van giet. Onder de elektronenmicroscoop is te zien dat de meeste velletjes vanzelf plat op elkaar gaan liggen.

Praktijkproeven wijzen uit dat je met zo’n membraan redelijk efficiënt CO₂ kunt afscheiden uit CH₄. Dat laatste molecuul is net te groot om de gaten in het MOF te kunnen passeren. Met een polyimidemembraan zonder MOF lukt deze scheiding ook, zij het minder selectief, terwijl het membraan van dikke MOF-kristallen juist slechter wordt.

Over de vraag of je MOF’s ook op industriële schaal op deze manier kunt laten uitkristalliseren, hebben de Delftenaren zich nog niet echt gebogen.

bron: TU Delft