Các nhà nghiên cứu từ Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf và Đại học Công nghệ Dresden đã làm sáng tỏ cơ chế hấp phụ nước trong một số vật liệu xốp vi mô nhất định – còn được gọi là khung kim loại hữu cơ phân cấp (MOF) – trong khi thăm dò chúng ở quy mô nguyên tử.
Khung hữu cơ kim loại có thể hấp thụ nước trong các lỗ chân lông mà chúng hình thành. Nhà cung cấp hình ảnh: B. Schröder/HZDR
Chỉ được phát hiện cách đây khoảng 25 năm, những đặc tính đặc biệt của chúng nhanh chóng dẫn đến danh tiếng là "vật liệu kỳ diệu" - hóa ra, thậm chí có thể thu được nước từ không khí. Các nhà nghiên cứu mô tả cách vật liệu đạt được điều này trong Vật liệu & Giao diện Ứng dụng ACS .
"Những vật liệu rất đặc biệt này là chất rắn có độ xốp cao làm từ kim loại hoặc cụm kim loại-oxy được kết nối theo kiểu mô-đun bằng các cột hóa chất hữu cơ. Sự sắp xếp 3D này dẫn đến mạng lưới các khoang gợi nhớ đến các lỗ của miếng bọt biển nhà bếp. Nó chính xác là như vậy." những khoang này mà chúng tôi quan tâm,” Tiến sĩ Ahmed Attallah thuộc Viện Vật lý Bức xạ của HZDR cho biết.
Những lỗ chân lông có kích thước nano đó là nền tảng cho vô số ứng dụng tiềm năng, từ lưu trữ khí đến công nghệ tách cũng như xúc tác và cảm biến mới – và thu hoạch nước là một trong những lĩnh vực hứa hẹn nhất.
Thăm dò khoảng trống
Nhóm nghiên cứu đã tổng hợp hai MOF dựa trên kim loại zirconium và hafnium, được giữ cố định bởi cùng một khung hữu cơ. Sau đó, các nhà khoa học đã nghiên cứu sâu hơn về đặc tính của vật liệu thu được bằng cách áp dụng nhiều kỹ thuật bổ sung.
Một mặt, họ xác định được lượng nitơ hoặc hơi nước có thể bị giữ lại trong các lỗ rỗng của vật liệu. Mặt khác, họ đã có cái nhìn sâu hơn về cơ chế hấp phụ nước chính xác trong MOF, cơ chế mà cho đến nay vẫn chưa được hiểu rõ.
“Để làm sáng tỏ quá trình này, chúng tôi đã sử dụng một kỹ thuật không phá hủy được gọi là quang phổ thời gian sống hủy diệt positron, hay nói ngắn gọn là PALS, trong đó một positron sẽ tương tác với các electron—các phản hạt của nó—do đó hủy diệt và sau đó giải phóng các tia gamma có thể có thể bị phát hiện,” Tiến sĩ Andreas Wagner, người đứng đầu Trung tâm Nguồn bức xạ công suất cao ELBE tại HZDR cho biết.
“Thời gian từ khi phát ra positron bắt nguồn từ nguồn phóng xạ cho đến khi phát hiện tia gamma sau đó là thời gian tồn tại của positron. Điều này lại phụ thuộc vào tốc độ chúng gặp electron.”
Nếu có các khoảng trống trong vật liệu, như các lỗ nano, thì positron và electron có xu hướng hình thành cái gọi là nguyên tử positronium, với mỗi electron và một positron, quay quanh khối tâm chung của chúng, đi thẳng vào nhau cho đến khi cặp hạt đó hoặc bị phân tán hoặc bị tiêu diệt, tùy theo điều kiện nào đến trước.
Vì những nguyên tử kỳ lạ này sống lâu hơn trong những khoảng trống lớn hơn nên chúng tiết lộ thông tin về kích thước và sự phân bố của khoảng trống. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sự hấp phụ nước trong MOF chủ yếu bị chi phối bởi cơ chế lấp đầy từng bước, bao gồm cả sự hình thành cầu nối chất lỏng trong lỗ chân lông. Sự hấp phụ nước bị ảnh hưởng bởi sự hình thành các cụm nước trên bề mặt lỗ chân lông, tạo ra những khoảng trống không khí nhỏ trong lỗ chân lông.
Vắt kiệt không khí sa mạc
Giáo sư Stefan Kaskel cho biết: “Do sự giống nhau về mặt hóa học của kim loại zirconium và hafnium, nên các khung kim loại-hữu cơ thu được có cùng kích thước lỗ chân lông và độ ổn định hóa học cao, cho phép chúng tôi đồng thời đánh giá tính hợp lệ của phương pháp của mình”. Trưởng khoa Hóa vô cơ I tại Đại học Công nghệ Dresden giải thích. Nghiên cứu của nhóm ông tập trung vào việc phát triển các vật liệu chức năng mới cho nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như lưu trữ và chuyển đổi năng lượng, xúc tác môi trường và hấp phụ nước.
Dựa trên kết quả, các nhà nghiên cứu kết luận rằng nghiên cứu của họ cung cấp những hiểu biết mới về cơ chế hấp phụ nước trong MOF phân cấp, có thể giúp thiết kế các vật liệu tốt hơn để thu hoạch nước từ không khí, điều này đặc biệt quan trọng ở các vùng khô cằn. Bằng cách cho MOF tiếp xúc với không khí, chúng có thể thu giữ các phân tử nước từ khí quyển. Sau đó, bằng cách sử dụng nhiệt hoặc giảm áp suất, nước có thể được giải phóng và sử dụng.
Các nhà khoa học đã suy nghĩ xa hơn: Công nghệ này có phù hợp với các giải pháp thương mại không? Theo báo cáo của một nhóm khác trong lĩnh vực này, 1,3 lít nước cho mỗi kg MOF mỗi ngày từ không khí sa mạc cho thấy mức độ lớn của sản lượng có thể đạt được trên thực tế hiện nay.
Tuy nhiên, để có được giải pháp bền vững tổng thể, ngoài năng suất, cần phải xem xét các yếu tố khác. Kaskel và Attallah chỉ ra những cạm bẫy có thể xảy ra trong nỗ lực này: “Để tăng quy mô thu hoạch nước bằng MOF, chúng phải có thể tiếp cận được với số lượng lớn với giá rẻ. Ngoài ra, các phương pháp tổng hợp truyền thống đòi hỏi một lượng lớn dung môi hữu cơ hoặc mua lại các khối xây dựng đắt tiền”.
Để tránh chúng, các quy trình tổng hợp "xanh" được phát triển gần đây sẽ có động lực trong tương lai, đảm bảo sản xuất MOF thân thiện với môi trường.
Nhóm nghiên cứu đến từ Dresden đã bám sát ý tưởng này bằng cách tuân theo các nguyên tắc hóa học xanh, chẳng hạn như sử dụng nước làm dung môi, thực hiện các phản ứng ở nhiệt độ thấp tiết kiệm năng lượng và khai thác các chất thải làm nguồn kim loại và các chất liên kết hữu cơ.
