Entrevista a la Dra. Anastasiya Bavykina y al Dr. Luis Garzón-Tovar
Investigadores de la King Abdullah University Science & Technology (KAUST)
King Abdullah University
Recientemente una colaboración científica entre distintos grupos de investigación encabezada por el grupo del Profesor Jorge Gascon (KAUST, Arabia Saudí), ha conseguido modificar la superficie de un tipo de material sólido poroso denominado ZIF-67 (MOF), permitiendo su estabilización en distintos líquidos o disolventes. Estos materiales líquidos pueden emplearse directamente como líquidos adsorbentes, pero además, el cambio de estado de sólido a líquido manteniendo su estructura porosa facilita su aplicación en diferentes tipos de tecnologías, como por ejemplo membranas o recubrimientos funcionales.
Este trabajo de investigación se basa en la modificación de la superficie del ZIF-67. Este material es un MOF, del inglés metal organic framework, que se definen como sólidos cristalinos porosos. Su formación se basa en la combinación de agrupaciones de átomos metálicos que se unen entre ellos usando moléculas orgánicas denominadas linkers. Su disposición en el espacio genera poros y cavidades (huecos) de tamaño similar a muchas moléculas de interés, por lo que se suelen emplear como catalizadores químicos, así como materiales para la separación de gases. Existe un gran número de MOF conocidos de composiciones muy variadas, siendo estos los materiales porosos más estudiados de los últimos 20 años.
La peculiaridad de esta investigación no radica en el descubrimiento de un nuevo material, sino en la modificación de la superficie externa de un MOF ya conocido, el denominado ZIF-67. En particular, empleando dos tipos de moléculas orgánicas de la familia de los carbenos, los científicos han conseguido estabilizar este sólido poroso en diferentes líquidos o disolventes como, por ejemplo, el ciclohexano. De esta manera, se consigue incorporar funciones porosas típicas de un sólido en líquidos, creando un líquido con huecos o poros que puede utilizarse para atrapar grandes cantidades de gases, como por ejemplo el CO2 en plantas de combustibles fósiles. Este tipo de materiales se denominan líquidos porosos, y se describieron por primera vez a finales de 2015 por científicos de la Queen’s University Belfast (Reino Unido).
La modificación de la superficie del ZIF-67 se realizó empleando la técnica denominada grafting, que evita la aglomeración de las partículas sólidas, facilitando la posterior formación del líquido poroso. Tras estudiar las características básicas del ZIF-67 modificado, y sin observarse diferencias significativas con el ZIF-67 de partida, el material modificado se empleó para la creación de líquidos porosos empleando distintos disolventes como el mesitileno. Además, diferentes estudios de adsorción de gases demostraron que el uso del líquido poroso basado en mesitileno + ZIF-67 modificado, absorbía una cantidad de CO2 y propileno (gases) mucho mayor que cuando solo se empleó mesitileno.
Pero la investigación no se detenía ahí, la posibilidad de obtener un sólido poroso en forma líquida y estable, abre una ventana de trabajo muy amplia. Su aplicabilidad aumenta exponencialmente debido a que pueden ser fácilmente incorporados en otros materiales (procesamiento), sin modificar sus propiedades. Concretamente en este estudio, los investigadores prepararon materiales mixtos o composites donde incorporaron ZIF-67 modificado en forma de líquido poroso a un polímero, creando membranas mixtas. Estas membranas contenían hasta un 47,5% del MOF modificado y sin alterar las propiedades del polímero, como por ejemplo, la resistencia física. El estudio de las propiedades de diferentes membranas mixtas demostró que emplear el líquido poroso basado en ZIF-67 modificado ofrecía una mayor interacción con el polímero, sin modificar la estructura de ninguno de los materiales. Pero, ¿esta característica observada solo en las membranas poliméricas con el ZIF-67 modificado conlleva alguna mejora?
Cuando se evaluó el poder de separación de estas membranas empleando dos gases como el propano y el propileno, la membrana mixta que contenían el ZIF-67 modificado en forma de líquido poroso aumentó tanto la permeabilidad del propileno, así como la selectividad o separación del propileno y propano. Pero además, se realizaron estudios de estabilidad y reproducibilidad, reafirmando la actividad y estabilidad de la membrana mixta, ofreciendo los mejores resultados conocidos hasta el momento.
En definitiva, la posibilidad de producir un líquido poroso estable mediante la modificación de la superficie de un solido poroso como un MOF (ZIF-67) es una estrategia clave para introducir las propiedades de los sólidos porosos en otros materiales, ya que la incorporación directa conlleva severas desventajas. De esta forma, el procesamiento para la fabricación de nuevos materiales se hace viable mediante la preparación de líquidos porosos, por ejemplo, elaboración de membranas mixtas que ofrecen nuevas posibilidades para, entre otras, la tecnología de separación de gases.
Una vez presentado el estudio, ¿quién mejor para explicar cómo se alcanzaron estos resultados y cuáles pueden ser sus aplicaciones que los propios autores de esta investigación?
Este trabajo de investigación se basa en la modificación de la superficie del ZIF-67. Este material es un MOF, del inglés metal organic framework, que se definen como sólidos cristalinos porosos. Su formación se basa en la combinación de agrupaciones de átomos metálicos que se unen entre ellos usando moléculas orgánicas denominadas linkers. Su disposición en el espacio genera poros y cavidades (huecos) de tamaño similar a muchas moléculas de interés, por lo que se suelen emplear como catalizadores químicos, así como materiales para la separación de gases. Existe un gran número de MOF conocidos de composiciones muy variadas, siendo estos los materiales porosos más estudiados de los últimos 20 años.
La peculiaridad de esta investigación no radica en el descubrimiento de un nuevo material, sino en la modificación de la superficie externa de un MOF ya conocido, el denominado ZIF-67. En particular, empleando dos tipos de moléculas orgánicas de la familia de los carbenos, los científicos han conseguido estabilizar este sólido poroso en diferentes líquidos o disolventes como, por ejemplo, el ciclohexano. De esta manera, se consigue incorporar funciones porosas típicas de un sólido en líquidos, creando un líquido con huecos o poros que puede utilizarse para atrapar grandes cantidades de gases, como por ejemplo el CO2 en plantas de combustibles fósiles. Este tipo de materiales se denominan líquidos porosos, y se describieron por primera vez a finales de 2015 por científicos de la Queen’s University Belfast (Reino Unido).
La modificación de la superficie del ZIF-67 se realizó empleando la técnica denominada grafting, que evita la aglomeración de las partículas sólidas, facilitando la posterior formación del líquido poroso. Tras estudiar las características básicas del ZIF-67 modificado, y sin observarse diferencias significativas con el ZIF-67 de partida, el material modificado se empleó para la creación de líquidos porosos empleando distintos disolventes como el mesitileno. Además, diferentes estudios de adsorción de gases demostraron que el uso del líquido poroso basado en mesitileno + ZIF-67 modificado, absorbía una cantidad de CO2 y propileno (gases) mucho mayor que cuando solo se empleó mesitileno.
Pero la investigación no se detenía ahí, la posibilidad de obtener un sólido poroso en forma líquida y estable, abre una ventana de trabajo muy amplia. Su aplicabilidad aumenta exponencialmente debido a que pueden ser fácilmente incorporados en otros materiales (procesamiento), sin modificar sus propiedades. Concretamente en este estudio, los investigadores prepararon materiales mixtos o composites donde incorporaron ZIF-67 modificado en forma de líquido poroso a un polímero, creando membranas mixtas. Estas membranas contenían hasta un 47,5% del MOF modificado y sin alterar las propiedades del polímero, como por ejemplo, la resistencia física. El estudio de las propiedades de diferentes membranas mixtas demostró que emplear el líquido poroso basado en ZIF-67 modificado ofrecía una mayor interacción con el polímero, sin modificar la estructura de ninguno de los materiales. Pero, ¿esta característica observada solo en las membranas poliméricas con el ZIF-67 modificado conlleva alguna mejora?
Cuando se evaluó el poder de separación de estas membranas empleando dos gases como el propano y el propileno, la membrana mixta que contenían el ZIF-67 modificado en forma de líquido poroso aumentó tanto la permeabilidad del propileno, así como la selectividad o separación del propileno y propano. Pero además, se realizaron estudios de estabilidad y reproducibilidad, reafirmando la actividad y estabilidad de la membrana mixta, ofreciendo los mejores resultados conocidos hasta el momento.
En definitiva, la posibilidad de producir un líquido poroso estable mediante la modificación de la superficie de un solido poroso como un MOF (ZIF-67) es una estrategia clave para introducir las propiedades de los sólidos porosos en otros materiales, ya que la incorporación directa conlleva severas desventajas. De esta forma, el procesamiento para la fabricación de nuevos materiales se hace viable mediante la preparación de líquidos porosos, por ejemplo, elaboración de membranas mixtas que ofrecen nuevas posibilidades para, entre otras, la tecnología de separación de gases.
Una vez presentado el estudio, ¿quién mejor para explicar cómo se alcanzaron estos resultados y cuáles pueden ser sus aplicaciones que los propios autores de esta investigación?
Anastasiya Bavykina y Luis Garzón-Tovar, investigadores de King Abdullah University Science & Technology (KAUST) han respondido a algunas preguntas en una entrevista conjunta, aportando su visión y aclarando el impacto e importancia de esta investigación.My Scientific Journal. ¿Cómo surge la idea de modificar la superficie de un MOF para conseguir un liquido poroso estable?Anastasiya Bavykina y Luis Garzón-Tovar. Una de las líneas de trabajo de nuestro grupo de investigación es la síntesis y funcionalización de MOFs para diferentes aplicaciones. En una de nuestras investigaciones descubrimos que empleando ciertos agentes modificadores, las partículas resultantes del MOF funcionalizado podían ser fácilmente “disueltas” en diferentes disolventes. Este descubrimiento nos hizo plantearnos la posibilidad de lograr fabricar líquidos que exhibieran porosidad y a partir de ahí, explorar las ventajas de dichos líquidos en la fabricación de membranas mixtas avanzadas, entre otros.MSCJ. ¿Cuál es la importancia de conseguir producir líquidos porosos estables?Luis Garzón-Tovar: Los MOFs han demostrado ser materiales con un gran potencial para ser usados en diferentes aplicaciones como adsorción y separación de gases o catálisis, entre otras. Sin embargo, la principal limitación para usar estos materiales en aplicaciones industriales es su dificultad para ser procesados debido a su estado sólido (polvos finos). En este sentido, lograr convertir estos sólidos en líquidos empleando diferentes estrategias y disolventes pero manteniendo sus propiedades tales como su porosidad, permite aumentar su capacidad de procesamiento, pero también adquirir nuevas propiedades exclusivas de los líquidos tales como la rápida transferencia de masa o su fluidez. MSCJ. Las membranas mixtas empleando polímero y el ZIF-67 modificado es la aplicación que se muestra en vuestro trabajo y que permite la separación de propano y propileno, ¿cuál es la importancia de separar estos dos gases? ¿Es viable la aplicación industrial y comercial de vuestro material mixto?Anastasiya Bavykina: El propileno es una sustancia química que se emplea como materia prima en la industria petroquímica, siendo elemento principal en la fabricación de muchos productos químicos incluyendo el polipropileno. Este polímero es uno de los principales materiales plásticos y su fabricación requiere propileno de una elevada pureza (99,5%).La separación del propileno del propano representa uno de los retos más importantes en la actualidad, ya que muchos procesos precisan de propileno de alta pureza y por tanto, ha de ser separado de otros compuestos. La tecnología actual en aplicaciones industriales se basa en la destilación criogénica, que conlleva un gasto energético muy elevado. En este trabajo presentamos un proceso de separación propileno/propano energéticamente eficiente y revolucionario, ya que se basa en el empleo de membranas mixtas fabricadas a partir de líquidos porosos. Como muestra, el reemplazo de las tecnologías de separación actuales por las membranas de nuestro estudio, resultaría en un ahorro energético en todo el mundo similar al consumo total de energía en Singapur, es decir, alrededor del 0,1% de la energía consumida en el mundo. No obstante, su aplicación industrial se encuentra todavía en fase de estudio.
MSCJ. ¿Cuáles pueden ser otras aplicaciones de los líquidos porosos?Luis Garzón-Tovar: Debido a que estos líquidos retienen la porosidad de los MOFs, los líquidos porosos pueden ser aplicados en membranas liquidas de separación de gases, que es una de las aplicaciones de interés en nuestro grupo de investigación. Además, la catálisis es, sin lugar a duda, una de las potenciales aplicaciones ya que abriría la posibilidad de usar MOF (catalizadores heterogéneos) en medios líquidos, presentando una única fase durante el transcurso de una reacción química y simplificando los sistemas de reacción.Referencias
Knebel A, Bavykina A, Datta SJ, Sundermann L, Garzon-Tovar L, Lebedev Y, Durini S, Ahmad R, Kozlov SM, Shterk G, Karunakaran M, Carja ID, Simic D, Weilert I, Klüppel M, Giese U, Cavallo L, Rueping M, Eddaoudi M, Caro J, Gascon J. Solution processable metal-organic frameworks for mixed matrix membranes using porous liquids. Nature Materials. 2020 Dec;19(12):1346-1353. doi: 10.1038/s41563-020-0764-y
Documentación y entrevista
José Luis Cerrillo Olmo para My Scientific Journal 08/12/2020
Jose Luis Cerrillo Olmo Redactor My Scientific Journal