Kovalent organik çerçeveler (COF’ler), havadan suyu yakalamak, nem alıcılarına güç vermek ve enerji tasarruflu ısı pompalarını sürmek için yeni nesil malzemeler olarak selamlanmıştır. Hafif ve organik yapı taşlarından inşa edilen bu kristal ve yüksek gözenekli malzemeler moleküler LEGO setlerine benzer: geometrileri ve kimyası hassasiyetle uyarlanabilir. Bununla birlikte, önemli bir sorun kaldı: nemli havada COF’ler çökebilir.
COF’leri bir arada tutan kovalent bağları kıran kimyasal bozulmanın yanı sıra, çöküş sorunu da fiziksel istikrarsızlığa atfedilebilir. COFS adsorb ve su buharı serbest bıraktığında, gözeneklerine uygulanan kılcal kuvvetler katmanları kaydırabilir, kanalları çöker veya hatta çerçeveleri amorf polimerlere dönüştürebilir. Bu tür değişiklikler su alımını azaltır ve cihaz ömrünü kısaltır.
Yayınlanan son çalışmalarımızda Gelişmiş fonksiyonel malzemelerCOF’leri 1.4 ila 3.3 nanometre arasında değişen gözenek boyutları ile sentezledik ve bunları tekrarlanan su buharı adsorpsiyon -desorpsiyon döngüleri ile test ettik. Hemen bir değiş tokuş fark edildi: daha küçük gözenekler daha kararlıydı, ancak daha az su tuttu, daha büyük gözenekler daha fazla su depoladı, ancak kılcal kuvvetler altında çökme eğilimindeydi.
Atılım, intralayer hidrojen bağları oluşturan keto-enamin bağlantılarını tanıttığımızda meydana geldi (bkz. Şekil 1). Bu moleküler takviyeler perçin gibi davrandı, COF katmanlarını daha katı bir şekilde birlikte tuttu, bu da esnekliği azaltır ve katmanlar arası kaymayı önler.
Moleküler dinamik simülasyonları ve yoğunluk fonksiyonel teori hesaplamaları bu hidrojen bağlarının stabilize edici rolünü doğruladı. Deneysel olarak, keto-enamin COFS, 200 su buharı bisiklet testinden sonra bile kristallik ve gözenekliliği korudu. Buna karşılık, imin bağlantılı COF’ler benzer koşullar altında hızla bozulmuştur.
Pratik alaka düzeyini sergilemek için, mikrodalga destekli sulu bir yöntem kullanarak sentezi ölçeklendirdik ve saatler içinde COF gramları ürettik. Daha sonra kararlı olanla bir yüzgeç tüpü ısı eşanjörünü kapladık (TPOme-Bpyd COF) ve 60 ° C kadar düşük rejenerasyon sıcaklıklarında etkili hava nemidifikasyonu göstermiştir.
Bir ölçüt metal-organik çerçeve (alüminyum fumarat) ile karşılaştırıldığında, COF kaplı cihaz, atık veya güneş enerjisinden kaynaklanabilecek düşük dereceli ısı ile çalışırken nem çıkarma kapasitesini (MRC) neredeyse iki katına çıkardı (bkz. Şekil 2).
Çalışma, mühendislik COF’leri için su kapasitesi ve esneklik arasında bir denge kuran yeni tasarım yönergeleri sunmaktadır. COF’ları moleküler ölçekte güçlendirerek, onları hava nemininden sürdürülebilir su hasatına kadar gerçek dünya uygulamaları için yeterince dayanıklı hale getirdik.
Bu hikaye, araştırmacıların yayınlanmış araştırma makalelerinden bulguları rapor edebilecekleri Science X iletişim kutusunun bir parçasıdır. Science X iletişim kutusu ve nasıl katılacağınız hakkında bilgi için bu sayfayı ziyaret edin.
Prof. Dan Zhao doktorasını aldı. 2010 yılında Texas A&M Üniversitesi’nden Prof. Hong-Cai Joe Zhou yönetiminde inorganik kimyada, ardından Argonne Ulusal Laboratuvarı’nda doktora sonrası araştırma. 2012 yılında NUS’a katıldı ve 2025’te profesör oldu. Araştırması, temiz enerji ve çevresel sürdürülebilirlik için gözenekli malzemeler ve hibrit membranlara odaklanıyor.
