Zestien metalen in 1 materiaal: Brits onderzoek schept nieuwe mogelijkheden

Door de samenstelling van een materiaal te veranderen, kunnen eigenschappen als magnetisme, lichtabsorptie en CO₂-opname gericht worden aangepast. Britse onderzoekers hebben een poreus materiaal ontwikkeld waarin maar liefst zestien (!) verschillende metalen kunnen worden gecombineerd. Dat is een record voor dit type materiaal en biedt vele nieuwe mogelijkheden.

Het onderzoek draait om zogeheten metal-organic frameworks (MOF’s), materialen waarin metaalionen via organische moleculen met elkaar zijn verbonden. Hierdoor ontstaat een kristalstructuur met zeer kleine poriën en een groot intern oppervlak. Daardoor kunnen MOF’s onder meer worden gebruikt om gassen op te slaan, moleculen te scheiden of chemische reacties te ondersteunen.

De onderzoekers ontwikkelden zo een nieuwe materiaalfamilie, UoB-116, waarvan de kristalstructuur geschikt blijkt om uiteenlopende metalen op te nemen. Eerst maakten ze vijftien afzonderlijke varianten met telkens één metaal. Vervolgens combineerden ze twee, vier, twaalf en vijftien verschillende metalen binnen dezelfde structuur. Door uiteindelijk indium toe te voegen, ontstond een materiaal met zestien verschillende metalen. Volgens de onderzoekers is het voor het eerst dat metalen uit drie verschillende blokken van het periodiek systeem in één MOF zijn gecombineerd.

CO₂-opname

Om te onderzoeken hoe de samenstelling de materiaaleigenschappen beïnvloedt, varieerden de wetenschappers de verhouding tussen dysprosium en lanthaan. Een hoger aandeel dysprosium versterkte de magnetische eigenschappen en beïnvloedde de absorptie van nabij-infraroodlicht. Een groter aandeel lanthaan verminderde daarentegen het specifieke oppervlak en de porositeit van het materiaal. Ook de capaciteit om CO₂ op te nemen veranderde aanzienlijk. Bij de onderzochte omstandigheden nam de opname af van 5,72 millimol per gram voor een variant met uitsluitend dysprosium tot 1,23 millimol per gram voor een variant met uitsluitend lanthaan.

Voorspelbaar

Een belangrijke ontdekking is dat de opname van metalen in de kristalstructuur samenhangt met de grootte van hun ionen. Metalen met een kleinere ionstraal worden bij de synthese bij voorkeur opgenomen. Door rekening te houden met dit effect kunnen onderzoekers de uiteindelijke samenstelling gerichter bepalen. Volgens onderzoeksleider Neil Champness ‘opent dit de weg naar programmeerbare poreuze materialen’. In plaats van voor iedere toepassing een volledig nieuw materiaal te ontwikkelen, zou het mogelijk worden ‘om de gewenste eigenschappen te verkrijgen door de verhouding tussen verschillende metalen aan te passen’.

MOF’s worden op dit moment al onderzocht voor waterstofopslag, CO₂-afvang en het scheiden van gassen. Ook kunnen dergelijke materialen worden ingezet voor sensoren, katalyse en het veilig opslaan van bepaalde industriële gassen. Door materialen te ontwikkelen die specifieke moleculen selectief opnemen, zouden energie-intensieve processen, zoals cryogene destillatie, gedeeltelijk kunnen worden vervangen.