Zwitserland duimt voor MOFs

In Zwitserland is veel onderzoek bezig rond MOFs. Daarmee zijn materialen te maken die heel nuttig zouden kunnen blijken om zware metalen uit water te halen, organische stoffen erin af te breken en op de koop toe uit het water waterstof te halen dat dienst doet in brandstoftanks, als energiedrager.

EPFL, de École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), is een van de beste kennisinstellingen ter wereld. In 2018 pakte ze uit met markante resultaten van onderzoek naar MOFs; MOF is kort voor metal-organic framewerk (metaal-organisch raamwerk). MOFs hebben een kristalstructuur waarin vaak poriën zitten met een grootteorde van enkele miljoensten van een millimeter: nanometers, dus.

Het onderzoek naar MOFs spruit voort uit dat naar zeolieten, waarmee ze verwant zijn. In Aquarama 82 schreven we al hoe zeolieten onder meer belangstelling wekken om opkomende vervuilende stoffen, zoals medicijnen en pesticiden, uit water te halen (artikel; ‘Zeolieten op komst?’)

Zware metalen

EPFL-onderzoekers creëerden een materiaal dat zware metalen uit water haalt. Daarvoor behandelden ze een MOF, genaamd Fe-BTC, met dopamine dat polymeriseerde tot polydopamine (PDA). Zo ontstond de composiet Fe-BTC/PDA. Die haalt ruim 1,6 keer het eigen gewicht aan kwik en 0,4 keer het eigen gewicht aan lood uit water. In luttele seconden tijd brengt ze het gehalte lood in vervuild water terug tot concentraties van 2 ppb, waarmee het voldoet aan de normen voor drinkbaar water van de Wereldgezondheidsorganisatie WHO.

Onder meer hebben de Zwitsers de MOF met succes getest op enkele van de smerigste waterstalen uit Flint, in de VS, dat bekendheid kreeg door haar lood- en ijzerproblematiek. Ook haalden ze lood uit stalen van rivier de Rhône, de Middellandse Zee en een afvalwaterzuiveringsinstallatie. Tenslotte toonden ze hoe makkelijk ze Fe-BTC/PDA konden regenereren: het vuil eruit halen om de composiet nadien opnieuw te gebruiken. Dat gebeurt bijvoorbeeld door die te verhitten en onder te dompelen in zuur.

Enkele maanden later bleek dat het materiaal ook goud haalt uit onder meer afvalwater, zeewater en slib. Eén gram neemt 934 mg goud op en heeft daarvoor nauwelijks twee minuten nodig.

Veelbelovend is eveneens dat deze MOF kan worden gemaakt van grondstoffen die slechts 2,50 US dollar (2,20 euro) per kilo kosten als ze per ton worden ingekocht.

Energieopslag

Katalyse is een chemisch proces waarbij een stof, de katalysator, een chemische reactie mogelijk maakt; daarbij wordt de katalysator zelf niet verbruikt. Bij fotokatalyse wordt de katalysator onder invloed van licht geactiveerd, waarna die de chemische reactie teweegbrengt.

Nu hebben EPFL-onderzoekers een MOF-gebaseerd systeem ontwikkeld dat niet één, maar tegelijk twee soorten fotokatalyse uitvoert: verontreinigende stoffen uit het water verwijderen en waterstof produceren.

Ze toonden aan dat hun MOF de kleurstof rhodamine B, opgelost in water, afbreekt. Rhodamine B wordt vaak gebruikt om andere organische, verontreinigende stoffen te simuleren; dat het daarvoor lukt, laat dus vermoeden dat het ook voor veel andere stoffen zal lukken.

Een van de belangrijke toepassingen die met waterstof mogelijk is, is het te gebruiken voor brandstofcellen. Die leveren energie in onder meer sommige auto’s, warmtekrachtkoppelingen en satellieten.

De oplossing bleek in staat een efficiënte fotokatalyse uit te voeren met zichtbaar licht, dat 44% van het zonnespectrum uitmaakt. Ook zijn geen, dure en zeldzame, edelmetalen nodig om het te maken.

Door Koen Vandepopuliere

www.epfl.ch/