MOFs ou polímeros híbridos altamente porosos como materiais ultra-adsorventes

O campo da nanotecnologia e, mais concretamente, dos nanomateriais cresce de forma exponencial. Entre estes materiais, a família dos nanomateriais porosos ocupa um lugar relevante. Estes materiais têm em comum o facto de serem pouco densos e apresentarem uma grande área superficial, de modo que, ocupando um pequeno espaço, apresentam uma elevada disponibilidade dos grupos químicos que realizam a funcionalidade ou aplicação para a qual foram concebidos. As redes metal-orgânicas, ou MOFs pelo seu acrónimo em inglês (Metal-Organic Frameworks), inserem-se nos nanomateriais porosos. Estes constituem uma nova classe de materiais poliméricos baseados na montagem de iões metálicos através de blocos moleculares orgânicos mediante ligações de coordenação. Estes materiais caracterizam-se por apresentarem uma elevada cristalinidade e porosidade.

Os materiais porosos têm uma grande importância porque os poros e cavidades que possuem nas suas estruturas permitem a difusão de diferentes tipos de moléculas através deles. Historicamente, os materiais porosos inorgânicos, como argilas, zeólitos e silicatos, têm recebido grande atenção e encontrado inúmeras aplicações em diversas áreas, como o armazenamento e separação de gases, troca iónica ou catálise, entre outras.

Nos MOFs, foram reportados valores de área específica que atingem os 8 000 m2/g e, atualmente, superam a porosidade dos zeólitos e do carvão ativado. O que diferencia os MOFs dos materiais porosos mencionados anteriormente, e uma das razões pela qual resultam em materiais com grande potencial, é a sua enorme versatilidade. Estes podem ser concebidos antecipadamente e sintetizados utilizando uma grande variedade de iões metálicos e moléculas orgânicas. Estas combinações permitem escolher a sua composição química e a topologia da rede e, portanto, o tamanho e a funcionalidade química dos poros.

Todas estas características fazem deles materiais potenciais, ou que já encontram aplicação, em setores tão diversos como a remediação ambiental, indústria química, biomedicina, energia, embalagens funcionais e agricultura ou setor automóvel, entre outros.

Remediação ambiental:

Os MOFs são utilizados para a captura seletiva de gases de efeito estufa, como o dióxido de carbono, e a sua posterior conversão em produtos derivados de grande interesse na indústria química (por exemplo, monóxido de carbono, metanol, formaldeído, etc.). Também são capazes de eliminar metais pesados de águas contaminadas, mesmo em baixas concentrações.

Indústria Química:

Os MOFs demonstraram capacidade para separar, com elevadas percentagens de sucesso, misturas de gases semelhantes de baixo peso molecular (CO/CO2, CO2/N2, CO2/CH4, etc.), misturas de hidrocarbonetos (metano/etano, propano/butano, etano/etileno, etc.), misturas de enantiómeros, misturas de compostos alifáticos e aromáticos (benzeno/ciclo-hexano) ou mesmo misturas de isótopos (hidrogénio/deutério).

Além disso, representam uma nova classe de catalisadores com grande potencial que, de forma inerente, combinam as vantagens dos catalisadores homogéneos (com uma grande disponibilidade de centros ativos e muito boa reatividade) e heterogéneos (com elevada capacidade de reciclabilidade).

Biomedicina:

Os MOFs encontram-se entre as classes de materiais mais promissoras para bioaplicações reportadas nas últimas duas décadas. Alguns são biodegradáveis e biocompatíveis, com uma estrutura e composição que podem ser ajustadas facilmente para otimizar a encapsulação de fármacos, gasotransmissores ou ativos antimicrobianos e a sua posterior libertação. Também são utilizados em imagem e diagnóstico, como sensores ou em engenharia de tecidos. Os MOFs em aplicações biomédicas encontram-se em fase pré-clínica, uma vez que ainda apresentam limitações e são necessários mais estudos centrados na sua toxicidade e biodistribuição ou em formulações de “qualidade farmacêutica”.

Embalagens funcionais e Agricultura:

Alguns MOFs demonstraram ter uma boa biocompatibilidade e baixa toxicidade para serem incorporados em embalagens para alimentos. Portanto, combinados com as matrizes adequadas, dão lugar a embalagens funcionais com propriedades de sensores, marcadores, antimicrobianos ou adsorventes de contaminantes. Além disso, podem melhorar as propriedades barreira contra a água e o oxigénio. Para a sua aplicação, é importante assegurar a não migração dos nanomateriais da embalagem para os alimentos.

Setor Automóvel e Energia:

Os MOFs apresentam-se como bons candidatos para o armazenamento de hidrogénio, o que favoreceria o desenvolvimento das tão desejadas baterias de hidrogénio. Além disso, podem ser utilizados como sensores, como elétrodos em baterias de lítio, como sistemas de purificação e de desumidificação em filtros, como agentes ignífugos nos materiais do veículo, etc.,

EMPRESAS E PROJETOS JÁ CONSIDERAM ESTES MATERIAIS

Tendo em conta estas aplicações tão interessantes, já surgiram bastantes empresas para sintetizar, processar e comercializar MOFs em todo o mundo. Algumas delas são: MOFs Technologies (Reino Unido), Water Harvesting Inc. (Estados Unidos), Immaterial (Reino Unido), NovoMOF (Suíça), Energy X (Estados Unidos), NuMat Technologies (Estados Unidos), etc. Por outro lado, importantes indústrias químicas como a BASF já incluem os MOFs no seu catálogo de produtos.

Pela nossa parte, no AIMPLAS apostamos nos MOFs e, por isso, trabalhamos na síntese dos mesmos, ao mesmo tempo que somos capazes de os adaptar e implementar para todas as aplicações em que a sua utilização possa constituir uma solução. Por exemplo, no projeto IGNITION foram utilizados MOFs comerciais e alguns desenvolvidos no projeto para encapsular aditivos retardadores de chama naturais, a fim de evitar a sua degradação térmica para poderem suportar as condições de processamento. Outro exemplo é o projeto DOTMASK , onde serão incorporadas partículas do MOF ZIF-8 em formulações para revestimentos com caráter antimicrobiano que serão aplicados em máscaras. Por outro lado, no projeto GRAMOFON foi desenvolvido um processo inovador de captura de dióxido de carbono baseado em novos nanomateriais, entre eles os MOFs, e a sua dessorção utilizando energia de micro-ondas, o que permite lutar contra as alterações climáticas a um custo inferior ao que estas tecnologias apresentam atualmente.

Se considera que os MOFs podem desempenhar um papel no desenvolvimento das atividades da sua empresa, não hesite em contactar-nos. No AIMPLAS podemos avaliar se estes materiais se adaptam às suas necessidades.