Forskningsprojekt i Emanuelssons grupp
Vår forskning har två huvudsakliga inriktningar, dels elektrifiering av organiska polymerer och dels selektiv adsorption av metalljoner ur komplexa vattenlösningar. Forskningen stöds av Forskningsrådet Formas, Stiftelsen Åforsk, Magnus Bergvalls Stiftelse, Lars Hiertas Minnesfond och Uppsala Universitet.
Elektrifiering av organiska material
Förekomsten och mångfalden av organiska ämnen tillsammans med möjligheten att skräddarsy egenskaper genom organisk syntes gör organiska material till lovande kandidater för framtidens funktionella material. Elektrokatalys och energilagring är två sådana viktiga tekniker som behövs för att främja ett grönare och mer cirkulärt samhälle där organiska material skulle kunna användas. Sådana material måste innehålla en redoxaktiv enhet i strukturen för att möjliggöra reversibel oxidation och reduktion. Att immobilisera dessa strukturer som en del av en polymerstruktur ger materialen robusthet och stabilitet som normalt endast hittas hos oorganiska föreningar. Att använda polymera föreningar som samtidigt är porösa är gynnsamt då det exponerar redoxenheterna och tillåter interaktion med t.ex. joner eller reaktanter.
Organiska ramverk är polymera och mikrokristallina nätverksföreningar som bildas genom ”självmontering” av två små byggstenar. Under de rätta förhållandena bildas polymera strukturer som sträcker sig i två eller tre dimensioner med en mycket porös struktur. Dessa material har stora ytor med uppmätt så kallad BET-area är i storleksordningen tusentals kvadratmeter per gram material. Att inkludera redoxcenter in sådana material och skapa så kallade redoxaktiva organiska ramverk är därför en lovande strategi för både energilagring och elektrokatalys. Dock finns det två grundläggande utmaningar. För det första måste materialet vara elektriskt ledande eftersom redoxcenter kräver effektiv transport av elektroner för att fungera. För det andra behöver det finnas ett effektivt sätt för molekyler och joner att diffundera genom materialet för att upprätthålla redoxreaktionerna. En generell och effektiv strategi för att åstadkomma detta saknas idag. Vanligtvis används inblandning av makroskopiskt kol för att förbättra elektrontransporten, men för porösa material fungerar denna metod ofta dåligt.
I vår forskning utvecklar vi generella metoder för att elektrifiera organiska ramverk. Målet är att alla olika typer av ramverk innehållande vilken redoxenhet som helst ska kunna användas och testas som elektroaktiva funktionella material. Detta kan t.ex. uppnås genom att göra ramverket ledande, men elektrifiering kan också ske genom att fylla det porösa tomrummet med ett ledande material och bilda så kallade kompositer. Forskningen är inriktad på att försöka rationalisera vilka typer av polymermaterial som är bäst för olika tillämpningar och på så sätt vägleda vidare studier inom detta område.
Forskningen kombinerar syntetisk organisk kemi för att producera nya redoxaktiva byggstenar och polymerisation till organiska ramverk med materialkaraktärisering (t.ex. pulver XRD, BET ytarea, TGA) och elektrokemi (tre och två elektrodmätningar) för att utforska grundläggande egenskaper såväl som tillämpningar. Se nedanstående artiklar för några exempel på vårt tidigare arbete med elektrifiering med kedjor av 1D heteroaromatiska polymerer och tillämpningar för organiska batterier:
J. Mat. Chem. A, 2023, 11, 13923
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 5349
Selektiv infångning av metalljoner
För att uppnå ett grönt och cirkulärt samhälle krävs en övergång från en linjär ekonomi, där resurser utvinns, används och sedan kasseras, till en cirkulär modell som maximerar resursanvändningen och minimerar avfallet. Nuvarande gruvdrift utvinner bara de mest ekonomiskt fördelaktiga materialen och lämnar de bearbetade resterna som avfall. Detta trots att återstoden ofta innehåller betydande mängder av en rad metaller som har grävts ut och bearbetats med stora miljömässiga och ekonomiska kostnader. Många miljarder ton av sådant avfall har deponerats som aska, lera eller slam över hela världen. Ny teknik utmanar detta och erbjuder bättre utnyttjande av materialet, men utvinning och separering är utmanande på grund av den komplexa blandningen av föreningar i avfallet. I detta projekt utforskar vi hur porösa organiska material kan skräddarsys för att selektivt adsorbera och därefter frigöra metalljoner från vattenlösningar. Vi undersöker både passiv och aktiv adsorption riktad mot metalljoner av hög samhällelig betydelse och försöker fastställa vilka typer av funktionalitet och polymera strukturer som kan uppnå detta. Därför samarbetar vi i detta projekt med industriella intressenter kring industriella behov och vilka möjligheter som finns.
Projektet kombinerar syntetisk organisk kemi för att producera byggstenar och polymerisation till porösa polymerer. Vi använder också postsyntetiska modifieringar för att introducera eller förändra polymeren och karakteriserar dess egenskaper. Adsorptionsförmågan för metalljoner utvärderas med hjälp av både laboratorielösningar av relevanta metalljoner såväl som verkliga lösningar från våra industriella partners.