ساخت یک نانوساختار برای افزایش جذب گازهای سمی

دکتر احسان بینائیان، دانشیار گروه مهندسی شیمی دانشگاه آزاد قائمشهر آمونیاک را یک گاز سمی و خورنده دانست که سلامت انسان و محیط زیست را تهدید می‌کند و گفت: با توجه به سمیت و خورندگی آمونیاک، اقدامات حفاظتی پیشرفته لازم است. بنابراین، استفاده از روش‌ها و موادی که برای تشخیص و جداسازی آمونیاک حتی در غلظت‌های خیلی کم مؤثر باشند، ضروری است.

وی بااشاره به اجرای تحقیقاتی در این زمینه خاطر نشان کرد: هدف از این طرح، ارزیابی عملکرد UiO-۶۷ که یک ترکیب فلز- آلی است که به عنوان یک بستر برای قراردادن فلز وکربوکسیلات به‌عنوان یک مکان فلزی آزاد به منظور بهبود عملکرد فعل و انفعالات جذب آمونیاک بوده است. MOF سنتزشده در این طرح به خوبی و با اطمینان بالا در حوزه‌های مختلف محیط زیست برای جداسازی و حذف گازهای آلاینده با بازده بسیار بالا قابل‌استفاده است.

بینائیان اضافه کرد: این ترکیب با دارابودن خصوصیات اسیدی، قابلیت جذب و جداسازی انواع گازهای ترش مثل  NH۳ ، H۲S و SO۲ را دارد. بنابراین علاوه بر حوزه محیط زیست در بحث پالایش گاز و فرآیندهای مرتبط با آن نیز قابل‌ توسعه و استفاده است. همچنین، با تعویض نوع مکان‌های فلزی باز و ایجاد مکان آزاد با فلزات دیگر، امکان ورود به حوزه‌های فوتوکاتالیستی (کاربردهای محیط زیستی) و آبکافت به منظور تولید هیدروژن و اکسیژن به راحتی فراهم خواهد بود.

وی با اشاره به جزئیات این طرح توضیح داد: برخی از انواع ترکیبات فلز- آلی، از ویژگی مناسب اسید لوئیس برای جذب گازها برخوردار نیستند. از طرفی، چون بسیاری از گازهای آلاینده مانند NH۳ ، H۲S و SO۲ به شکل باز لوئیس و حاوی زوج الکترون آزاد هستند، با ایجاد مکان‌های فلزی آزاد در ساختار MOF از طریق فرآیند پست‌سنتز، می‌توان ظرفیت جذب این MOFها را افزایش داد. در واقع در این تحقیق، با ایجاد یک سری دست‌کاری‌های کوچک با استفاده از اسید در هنگام سنتز چارچوب آلی فلزی UiO-۶۷، یک نوع UiO-۶۷ دارای فضای خالی با سطح بسیار بالاتر حاوی لینکرهای ترکیب‌نشده ایجاد شد (UiO-۶۷-vac) و سپس با کمک فرآیند پست‌سنتز، اگزالیک اسید و مس به شکل کربوکسیلات مس به‌عنوان یک فلز فعال به ساختار این MOF که حاوی گروه زیرکونیوم است، وارد شد (UiO-۶۷-ox-Cu). مس آزاد به خوبی ظرفیت جذب آمونیاک بر روی UiO-۶۷ را افزایش داد.

دانشیار دانشگاه آزاد قائمشهر ادامه داد: همچنین ماف تغییریافته ظرفیت بالایی در ذخیره گاز هیدروژن در شرایط متعارفی نشان داد. در واقع، گونه‌های تغییریافته UiO-۶۷ توانایی بالاتری در ذخیره هیدروژن و جذب آمونیاک نشان دادند. ضمن اینکه هدف اصلی در این کار، بهبود توانایی این MOF در جذب آمونیاک بود. قابل‌ذکر است که در تحقیق جداگانه‌ای در همین برنامه، فلزات واسطه دیگر از جمله نیکل، کبالت، منگنز، آهن و مس با روش پست‌سنتز متفاوت به عنوان مکان‌های فلز باز به ساختار UiO-۶۷ اعمال شده و به خوبی بازده جذب آمونیاک را افزایش دادند.

به گفته مجری طرح، مواد جاذب سطحی در بسیاری از صنایع، هم به‌عنوان جداکننده و هم به‌عنوان پشتیبان کاتالیست به‌شدت مورداستفاده قرار می‌گیرند. اما کاربرد MOFها با توجه به ویژگی‌های منحصربه‌فرد آن‌ها مانند سطح و بلورینگی بسیار بالا، ویژگی‌های میکروحفره‌ای و حضور فلزات فعال در چارچوب آن‌ها، هم‌زمان در حوزه‌های جذب سطحی به عنوان جاذب، کاتالیست، فوتوکاتالیست، انرژی‌های نو و تولید هیدروژن و اکسیژن، همچنین آند و کاتد در بخش انرژی‌های تجدیدپذیر، کاربردهای پزشکی مانند تصویربرداری پزشکی، مهندسی بافت، دارورسانی، حسگرهای زیستی و غیره به صورت روزافزون در حال افزایش است.

وی درباره بازار تجاری این محصول گفت: امروزه در سطح دنیا، مراکز تحقیقاتی و صنعتی زیادی در حوزه سنتز مواد متخلخل و ماف‌ها به صورت تخصصی در حال فعالیت هستند. بنابراین این MOFها به راحتی قابلیت تجاری‌شدن را دارند و به خصوص در حوزه محیط زیست و پالایش بسیار حائز اهمیت و حیاتی هستند. در بحث مقیاس سنتز، با توجه به تعداد بسیار زیاد آزمایش‌های انجام‌شده (حدود ۲۰۰ آزمون اندازه‌گیری سطح)، حجم بالای موردنیاز از ترکیب ماف و حجم راکتورهای استفاده شده، می‌توان فرآیند تولید را در مقیاس تقریباً نیمه‌صنعتی یا پایلوت ذکر کرد.

بینائیان با اشاره به بازدهی بالای این روش گفت: در این طرح، با اعمال یک روش نسبتاً ساده پست‌سنتز (مناسب با نوع MOF به‌کاررفته) بر روی یک چارچوب آلی فلزی رایج، موفق به اصلاح بازده MOF خالص شدیم که تقریباً ۷۱ درصد توانایی جذب گاز آمونیاک را افزایش داد. همچنین به‌دلیل اینکه عملیات پست‌سنتز نیازمند شرایط و تجهیزات پیچیده نبود، هزینه تمام‌شده مناسب این طرح نیز قابل‌ذکر است.

وی اظهار کرد: افزایش ظرفیت جذب استاتیک گاز در مقایسه با بسیاری از MOF‌های معروف و پرکاربرد موجود و پایداری MOF سنتزشده و تکرارپذیری مناسب آن در جذب چندین بار گاز از ویژگی‌های شاخص این طرح پژوهشی است.

به نقل از ستاد نانو، این طرح در غالب یک برنامه پسا دکتری در مرکز تحقیقات مواد آکادمی علوم چین و دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه واترلو کانادا در مدت یک سال انجام شده است. دکتر احسان بینائیان که نتایج این طرح را در قالب مقاله‌ای ارائه کرده، نویسنده مسئول این مقاله و دانشیار گروه مهندسی شیمی دانشگاه آزاد قائمشهر با همکاری پروفسور یونینگ لی استاد دانشگاه واترلو، دکتر حبیب الله طیبی دانشیار گروه شیمی نساجی دانشگاه آزاد قائمشهر و پروفسور داچیانگ یوان  استاد آکادمی علوم چین موفق به چاپ این مقاله با عنوان Enhancing toxic gas uptake performance of Zr-based MOF through uncoordinated carboxylate and copper insertion; ammonia adsorption در نشریه Journal Of  Hazardous Materials شدند.