Porösa polymerer stabila som sjutton

Det porösa nanomaterial som kallas COFs (Covalent Organic Frameworks) är en bred familj av polymerer bestående av endast lätta grundämnen. Frånvaron av metallatomer i sin struktur gör att COFs distinkt skiljer sig från de besläktade MOFs (Metal-Organic Frameworks).

COF är en ny klass av polymerer och ansågs vara mycket viktig upptäckt vid den tidpunkt då den publicerades i vetenskapliga tidskriften Science 2005.

Den första COF-strukturen (benämnd COF-1) bestod av bensenringar sammanlänkade med B3O3 till hexagonformade tvådimensionella skikt som staplas i en skiktad struktur, som i detta avseende liknar strukturen av grafit sammansatt av grafenlager. I analogi med grafen kan skiktet av COF-material benämnas COFen eftersom det representerar ett genuint tvådimensionellt material sammansatt av kol, väte, bor och syre.

Lovande för energilagring

Till skillnad från grafit är COF-1 ett mycket poröst material med relativt stor ytarea vilket gör det lovande för exempelvis energilagring, som sorbenter för gaslagring eller som membran. Det finns också ett generellt grundläggande vetenskapligt intresse för COF-1-lager som är riktiga tvådimensionellt material.

Lite är emellertid känt om de mekaniska egenskaperna hos COFs eller av tvådimensionella COF-skikt förutom några få teoretiska uppskattningar. Till skillnad från grafit eller MOFs fanns heller inga högtrycksstudier tillgängliga för COFs.

Forskarna använde synkrotron-röntgendiffraktion och Raman-spektroskopi för att undersöka vad som händer med strukturen för detta material vid tryck upp till 30 GPa. Det visade sig att strukturen för COF-1 är oväntat stabil och överlever även efter kompression upp till 10-15 GPa. Vid högre tryck genomgår strukturen irreversibel förändring.

Porer med exakt diameter

– Vi såg en anmärkningsvärd stabilitet vid höga tryck hos en så pass porös struktur som COF är. Det var förvånande eftersom porösa MOF-strukturer kollapsar vid lägre tryck, säger Alexandr Talyzin, universitetslektor på Institutionen för fysik vid Umeå universitet.

Resultatet som forskarna fick för COF-1-strukturen kan betraktas som representativ för hela familjen av COF-material. Materialet skiljer sig helt från grafen, grafen har i princip inga porer. COF-1 är porös och gaser, joner, molekyler med viss liten storlek kan tränga igenom tvådimensionella lager. Det finns ingen viss praktisk tillämpning för COF för tillfället, men ett potentiellt användningsområde är genom sin struktur som membran. Porerna har en mycket exakt diameter och alla större molekyler kommer att stoppas men mindre en rörelse över membranet.

– Gaslagring och gasseparation har testats. Men jag måste säga direkt – hittills finns det ingen tillämpning i verklig industri. Men nya strukturer läggs till familjen varje år och kanske en dag …, säger Alexandr Talyzin.

Vetenskaplig artikel:

J. Sun , I. Baburin, V. Palermo, A. V. Talyzin: Covalent Organic Framework (COF-1) at High Pressure. Angewandte Chemie International Edition. https://doi.org/10.1002/anie.201907689

Kontakt:

Alexandr Talyzin, Institutionen för fysik vid Umeå universitet, alexandr.talyzin@umu.se