Penemuan ini dapat meningkatkan efisiensi energi pada separasi dan proses-proses pemurnian pada industri-industri kimia dan petrokimia.
Tim peneliti yang Universitas Minnesota, telah mengembangkan proses satu tahap yang inofatif untuk menumbuhkan kristal untuk membuat lapisan ultra tipis dari bahan dengan pori-pori berukuran molekuler. Peneliti mendemonstrasikan kegunaan bahan yang disebut dengan zeolite nanosheet atau lembaran zeolit nano, dengan membuat membran ultra-selektif untuk pemisahan kimia.
Membran-membran baru ini dapat memisahkan individu molekul berdasarkan bentuk dan ukuran, dimana dapat meningkatkan efisiensi energi untuk metode pemisahan kimia yang digunakan untuk membuat bahan bakar, bahan kimia sampai dengan obat-obatan.
Penelitian yang di publikasi di Nature, yaitu jurnal ilmiah interdisiplin yang paling banyak disitasi. Peneliti juga sudah mengajukan paten untuk teknologi ini.
"Secara keseluruhan, kami mengembangkan proses pertumbuhan kristal lembaran zeolit nano yang cepat, sederhana, dan menghasilkan kualitas lembaran nano yang lebih baik dari sebelumnya" kata Michael Tsapatsis profesor dari Teknik Kimia dan Ilmu Bahan Universitas Minnesota, "penemuan ini merupakan satu langkah kedepan untuk peningkatan efisiensi energi pada industri kimia dan petrokimia"
Saat ini, proses pemurnian kimia dan petrokimia berdasarkan proses panas seperti destilasi. Proses ini Proses-proses ini sangat membutuhkan energi yang intensif. Contohnya, pemisahan kimia berdasarkan pada destilasi merupakan konsumsi 5 persen dari total konsumsi energi di Amreika Serikat. Beberapa perusahaan dan peneliti sedang mengembangkan separasi berbasis membran yang efisien energi yang dapat memisahkan molekul berdasarkan ukuran dan bentuk. Salah satu kelas dari membran ini berbasi zeolit, kristal silikat yang memiliki pori dengan ukuran molekuler. Bagaimanapun proses beberapa tahap untuk membuat membran ini sangat mahal dan sulit untuk di tingkatkan skalanya, dan produksi komersil masih merupakan tantangan besar.
Pada penemuan baru ini, peneliti telah mengembangkan pertama kalinya proses bottom-up dari menumbuhkan secara langsung lembaran zeolit nano. Lembaran nano ini dapat digunakan untuk membuat membran ayakan molekuler kualitas tinggi. Bahan baru ini hanya memiliki ketebalan 5 nano meter dengan lebar beberapa mikro meter. Lembaran nano ini juga tumbuh dengan bentuk seragam sehingga membuat mudah untuk digunakan pada pemurnian kimia.
Mi Young Jeon menyebutkan, "Dengan bahan yang baru ini seperti memasang ubin dengan ubin ukuran besar seragam dibandingkan dengan potongan ubin kecil yang tak beraturan yang kita punya." yang merupakan lulusan PhD lulusan Universitas Minnesota Teknik Kimia dan Ilmu Material dan penulis pertama pada studi " Uniform-shaped zeolite nanosheets make a much higher-quality membrane with surprisingly high separation values that can sieve-out impurities.” Peneliti perhitungan dinamika molekuler juga mendukung bahwa nilai pemisahan melebihi 10000 yang bisa dicapai oleh lembaran nano ini.
Foto mikroskop elektron lembaran nano zeolit sumber : Universitas Minnesota
Untuk menumbuhkan kristal lembaran zeolit nano, penliti memulai dengan bibit kristal nano yang awalnya ukurannya dua kali lipat yang membentuk segi. Bibit kristal kemudian memicu pertumbuhan pertumbuhan keluar kembar yang berubah menjadi lembaran. Lembaran nano mulai muncul pada salah satu sudut bibit kristal dan kemudian terus tumbuh sempurna mengelilingi bibit membentuk segi lembaran nano yang sangat tipis dan seragam ukuran dan bentuknya.
Bentuk kristal yang seragam ini sangat mengejutkan, dimana pertama kali di amati 4 tahun lalu, kata Tsapatsis "Selama saya mempelajari zeolit selama 25 tahun, tidak pernah melihat pertumbuhan kristal seperti ini"
Penelitian lain juga terkejut dengan hasil awal " sangat menarik untuk melihat pertumbuhan kristal yang tipis ini dibawah mikroskop dan mempelajari strukturnya" kata Andre Mkhoyan, profesor Teknik Kimia dan Ilmu Bahan Universitas Minnesota.
"Setelah mengidentifikasi keberadaan kembaran di mikroskop elektron, kita mengetahui telah menmukan sesuatu yang merupakan tahap besar kedepan pada pengembangan kristal berpori yang sangat tipis" ditambahkan oleh Prashant Kumar, mahasiswa Teknik Kimia Universitas Minnesota yang melakukan pengujian menggunakan mikroskop elektron.
"Kemampuan tumbuh lembaran nano ini pada 2 dimensi tidak disangka sebelumnya, kita dapat mengurai penguraian sistematis strukturnya dan mekanisme pertumbuhan kristalnya" kata Peng Bai, seorang peneliti postdoc di departemen kimia yang mempelajari kimia kuantum untuk mengitepretasikan struktur uniknya.
Penelitian ini dibiayai oleh Advanced Research Projects Agency (ARPA-E) dari U.S. Department of Energy (DOE), DOE’s Center for Gas Separations Relevant to Clean Energy Technologies Energy Frontier Research Center, DOE’s Nanoporous Materials Genome Center, Deanship of Scientific Research di King Abdulaziz University, dan menggunakan beberapa fasilitas Advanced Photon Source dioperasikan Argonne National Lab, Argonne Leadership Computing Facility, the Minnesota Supercomputing Institute and the Characterization Facility of the University of Minnesota.
Sebagai tambahan Tsapatsis, Jeon, Kumar, Bai, and Mkhoyan, anggota kunci lain di tim penelitian ini Ph.D. graduate Pyung Soo Lee, peneliti postdoc Donghun Kim, dan chemistry Professor J. Ilja Siepmann. Other members of the 21-person team include several graduate students and postdoctoral researchers dari University of Minnesota dan juga kontributor the U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory, University of Massachusetts Amherst, dan King Abdulaziz University di Saudi Arabia.
Referensi : nature website
Sumber : cse.umn.edu