16 de noviembre de 2023 (Proyector Nanowerk) La creciente crisis mundial del agua plantea una grave amenaza para la salud humana en todo el mundo. Dado que la contaminación del agua por contaminantes tóxicos como tintes, metales pesados y compuestos orgánicos volátiles empeora, se necesitan soluciones innovadoras para tratar y purificar el agua para uso humano y remediación ambiental. La filtración basada en membranas se ha mostrado prometedora, pero los materiales actuales enfrentan limitaciones en cuanto a estabilidad, costo y rango de eliminación de contaminantes. Ahora, investigadores de la Universidad de Wuhan y la Universidad Purdue han desarrollado una nueva membrana híbrida que integra grafeno y marcos organicos metalicos (MOF) para superar estos desafíos. Sus hallazgos, publicados en Materiales funcionales avanzados ("Membranas de tamizado multinivel sinérgicas: integración del esqueleto de grafeno celular con nanocapa de MOF continuo para una separación superior de agua multifásica"), demuestran una membrana de grafeno-MOF que puede tamizar eficientemente un amplio espectro de contaminantes del agua mientras permanece estable en condiciones de filtración.
Esqueleto de grafeno celular multinivel inducido por láser con nanocapa continua de MOF (CMN) para tamiz molecular de agua multifásico. a) Esquema del tamiz esquelético de grafeno multinivel inducido por láser de femtosegundo y los detalles del hormigón. I) Ablativo interno y choque térmico con láser de femtosegundo. II) Esqueleto de grafeno multinivel inducido por láser. III) Crecimiento in situ e intercambio de ligandos de MOF, utilizando ZIF-8. b) Esquema del tamiz molecular en c) Diagrama esquemático del tamiz molecular de agua multifásico. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) El tratamiento de agua a base de membranas utiliza películas porosas para filtrar contaminantes y purificar el agua mediante tamizado selectivo. Los MOF, una clase de nanomateriales porosos, muestran una impresionante capacidad de tamizado molecular, pero su aplicación se ha visto restringida por un rango de tamizado limitado, la inestabilidad de la solución y requisitos de procesamiento complejos. El grafeno ofrece alta permeabilidad y absorción solar, pero carece de la capacidad de tamizado selectivo de los MOF.
El nuevo estudio aborda estas limitaciones integrando grafeno inducido por láser (LIG) y capas continuas de MOF en una membrana híbrida robusta. La fabricación de LIG utiliza un láser de femtosegundo para inducir la formación de grafeno dentro de una película de polímero comercial, generando un "esqueleto de grafeno" multinivel (MGKS) con micro/nanoporos ideal para el tratamiento del agua. Luego, los investigadores cultivaron una nanocapa continua de partículas MOF (ZIF-8) dentro del esqueleto de LIG mediante síntesis hidrotermal in situ. La membrana multicapa resultante combina las fortalezas de ambos materiales: LIG proporciona una columna vertebral estable con excelente absorción solar y permeabilidad al agua, mientras que la capa MOF permite un tamizado molecular preciso.
El MGKS resultante exhibe micro y nanoporos ordenados en su superficie, clave para el tamizado selectivo de moléculas. El láser también forma laminillas escalonadas en la parte inferior, lo que facilita un flujo de agua multifásico eficiente. Para reforzar la estabilidad del grafeno en condiciones de filtración, los investigadores cultivaron una nanocapa continua de MOF ZIF-8 en todo el esqueleto mediante nucleación in situ e intercambio de ligandos. La síntesis personalizada de ZIF-8 produjo nanoporos más pequeños que ayudan a filtrar contaminantes más pequeños.
Esta membrana híbrida de grafeno-MOF emplea una estrategia de tamizado de múltiples niveles y tamaños de poros. La red de grafeno de micras absorbe aceites y moléculas grandes. Sus nanoporos de 10 nm proporcionan una gran superficie para capturar contaminantes. Los grupos funcionales integrados como hidroxilos y carboxilos reducen los iones de metales pesados en el agua de alimentación. Finalmente, los poros ultrapequeños de ZIF-0.34 de 8 nm filtran los compuestos orgánicos volátiles y permiten el paso del agua.
Una rigurosa caracterización de los materiales validó la composición y las propiedades de la membrana híbrida. Las pruebas demostraron que la estructura LIG optimizada poseía una alta cristalinidad y estabilidad térmica necesarias para su uso en el mundo real. La capa de MOF rellenó los defectos del esqueleto de grafeno, mejorando la integridad de la membrana. Estos resultados indicaron que la membrana podría mantener su rendimiento en las duras condiciones del tratamiento de agua industrial.
Las pruebas validaron el rendimiento de generación de vapor solar y eliminación de contaminantes de la membrana. Logró una absorción excepcional de la luz solar y una eficiencia de evaporación de referencia del 90 % bajo irradiación variada, al tiempo que tamizó eficazmente cuatro iones de metales pesados por debajo de los estándares del agua potable. La capa ZIF-8 también interceptó completamente los tintes orgánicos y eliminó significativamente los disolventes orgánicos volátiles.
Bajo filtración de líquidos impulsada por presión, las propiedades hidrofóbicas y lipófilas de la membrana permitieron la separación de aceite y agua. Adsorbía toda la fracción de aceite al filtrar una mezcla de aceite y agua. Aunque es menos eficiente que la filtración solar, la operación impulsada por presión aún reduce los compuestos orgánicos volátiles, los metales pesados y los colorantes en un grado apreciable.
En general, la estabilidad optimizada del esqueleto de grafeno y el tamizado selectivo del ZIF-8 se combinaron para eliminar un amplio espectro de contaminantes del agua. Esto supera las limitaciones de las membranas MOF y de grafeno anteriores por sí solas. El sencillo método de fabricación también permite una producción escalable.
Esta investigación es pionera en una nueva e interesante dirección en la tecnología de membranas. El sencillo método de fabricación LIG-MOF y el rendimiento excepcional abren las puertas para que los híbridos de grafeno/MOF cumplan su promesa en la purificación de agua en el mundo real. Si bien persisten algunas limitaciones, especialmente para aplicaciones en fase líquida, los resultados obtenidos con energía solar son extremadamente prometedores.
Con una mayor optimización, el enfoque podría ampliar las capacidades de tratamiento de agua y permitir la utilización sostenible de fuentes no tradicionales. Como señalan los autores, ajustar los parámetros del láser y la selección de MOF proporciona flexibilidad para adaptar la estructura de la membrana a las aplicaciones deseadas.
By
Michael
Berger
Esqueleto de grafeno celular multinivel inducido por láser con nanocapa continua de MOF (CMN) para tamiz molecular de agua multifásico. a) Esquema del tamiz esquelético de grafeno multinivel inducido por láser de femtosegundo y los detalles del hormigón. I) Ablativo interno y choque térmico con láser de femtosegundo. II) Esqueleto de grafeno multinivel inducido por láser. III) Crecimiento in situ e intercambio de ligandos de MOF, utilizando ZIF-8. b) Esquema del tamiz molecular en c) Diagrama esquemático del tamiz molecular de agua multifásico. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) El tratamiento de agua a base de membranas utiliza películas porosas para filtrar contaminantes y purificar el agua mediante tamizado selectivo. Los MOF, una clase de nanomateriales porosos, muestran una impresionante capacidad de tamizado molecular, pero su aplicación se ha visto restringida por un rango de tamizado limitado, la inestabilidad de la solución y requisitos de procesamiento complejos. El grafeno ofrece alta permeabilidad y absorción solar, pero carece de la capacidad de tamizado selectivo de los MOF.
El nuevo estudio aborda estas limitaciones integrando grafeno inducido por láser (LIG) y capas continuas de MOF en una membrana híbrida robusta. La fabricación de LIG utiliza un láser de femtosegundo para inducir la formación de grafeno dentro de una película de polímero comercial, generando un "esqueleto de grafeno" multinivel (MGKS) con micro/nanoporos ideal para el tratamiento del agua. Luego, los investigadores cultivaron una nanocapa continua de partículas MOF (ZIF-8) dentro del esqueleto de LIG mediante síntesis hidrotermal in situ. La membrana multicapa resultante combina las fortalezas de ambos materiales: LIG proporciona una columna vertebral estable con excelente absorción solar y permeabilidad al agua, mientras que la capa MOF permite un tamizado molecular preciso.
El MGKS resultante exhibe micro y nanoporos ordenados en su superficie, clave para el tamizado selectivo de moléculas. El láser también forma laminillas escalonadas en la parte inferior, lo que facilita un flujo de agua multifásico eficiente. Para reforzar la estabilidad del grafeno en condiciones de filtración, los investigadores cultivaron una nanocapa continua de MOF ZIF-8 en todo el esqueleto mediante nucleación in situ e intercambio de ligandos. La síntesis personalizada de ZIF-8 produjo nanoporos más pequeños que ayudan a filtrar contaminantes más pequeños.
Esta membrana híbrida de grafeno-MOF emplea una estrategia de tamizado de múltiples niveles y tamaños de poros. La red de grafeno de micras absorbe aceites y moléculas grandes. Sus nanoporos de 10 nm proporcionan una gran superficie para capturar contaminantes. Los grupos funcionales integrados como hidroxilos y carboxilos reducen los iones de metales pesados en el agua de alimentación. Finalmente, los poros ultrapequeños de ZIF-0.34 de 8 nm filtran los compuestos orgánicos volátiles y permiten el paso del agua.
Una rigurosa caracterización de los materiales validó la composición y las propiedades de la membrana híbrida. Las pruebas demostraron que la estructura LIG optimizada poseía una alta cristalinidad y estabilidad térmica necesarias para su uso en el mundo real. La capa de MOF rellenó los defectos del esqueleto de grafeno, mejorando la integridad de la membrana. Estos resultados indicaron que la membrana podría mantener su rendimiento en las duras condiciones del tratamiento de agua industrial.
Las pruebas validaron el rendimiento de generación de vapor solar y eliminación de contaminantes de la membrana. Logró una absorción excepcional de la luz solar y una eficiencia de evaporación de referencia del 90 % bajo irradiación variada, al tiempo que tamizó eficazmente cuatro iones de metales pesados por debajo de los estándares del agua potable. La capa ZIF-8 también interceptó completamente los tintes orgánicos y eliminó significativamente los disolventes orgánicos volátiles.
Bajo filtración de líquidos impulsada por presión, las propiedades hidrofóbicas y lipófilas de la membrana permitieron la separación de aceite y agua. Adsorbía toda la fracción de aceite al filtrar una mezcla de aceite y agua. Aunque es menos eficiente que la filtración solar, la operación impulsada por presión aún reduce los compuestos orgánicos volátiles, los metales pesados y los colorantes en un grado apreciable.
En general, la estabilidad optimizada del esqueleto de grafeno y el tamizado selectivo del ZIF-8 se combinaron para eliminar un amplio espectro de contaminantes del agua. Esto supera las limitaciones de las membranas MOF y de grafeno anteriores por sí solas. El sencillo método de fabricación también permite una producción escalable.
Esta investigación es pionera en una nueva e interesante dirección en la tecnología de membranas. El sencillo método de fabricación LIG-MOF y el rendimiento excepcional abren las puertas para que los híbridos de grafeno/MOF cumplan su promesa en la purificación de agua en el mundo real. Si bien persisten algunas limitaciones, especialmente para aplicaciones en fase líquida, los resultados obtenidos con energía solar son extremadamente prometedores.
Con una mayor optimización, el enfoque podría ampliar las capacidades de tratamiento de agua y permitir la utilización sostenible de fuentes no tradicionales. Como señalan los autores, ajustar los parámetros del láser y la selección de MOF proporciona flexibilidad para adaptar la estructura de la membrana a las aplicaciones deseadas.
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Michael
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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