Nyt materiale opfanger og omdanner giftig luftforurening til industrikemikalie

Et internationalt hold af forskere, ledet af University of Manchester, har udviklet en metal-organisk ramme, eller MOF, materiale, der giver en selektiv, fuldt reversibel og repeterbar evne til at opfange en giftig luftforurening, nitrogendioxid, produceret ved forbrænding af diesel og andre fossile brændstoffer.

Materialet kræver så kun vand og luft for at omdanne den opfangede gas til salpetersyre til industriel brug. Mekanismen for MOF's rekordstore gasoptagelse, kendetegnet ved at forskere bruger neutronspredning ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, kan føre til luftforureningskontrol og -rensningsteknologier, der omkostningseffektivt fjerner forurening fra luften og omdanner det til salpetersyre til brug ved fremstilling af gødning, raketdrivmiddel, nylon og andre produkter.

Som rapporteret i Naturkemi , materialet, betegnet som MFM-520, kan opfange atmosfærisk nitrogendioxid ved omgivende tryk og temperaturer - selv ved lave koncentrationer og under flow - i nærvær af fugt, svovldioxid og kuldioxid. På trods af forureningens meget reaktive karakter, MFM-520 viste sig i stand til at blive fuldstændigt regenereret flere gange ved afgasning eller ved behandling med vand fra luften - en proces, der også omdanner nitrogendioxid til salpetersyre.

"Så vidt vi ved, dette er den første MOF til både at fange og omdanne en giftig, gasformig luftforurening til en nyttig industrivare, " sagde Sihai Yang, en af ​​undersøgelsens hovedforfattere og en lektor ved Manchesters Institut for Kemi. "Det er også interessant, at den højeste hastighed af NO2-optagelse af dette materiale sker ved omkring 113 grader Fahrenheit (45 grader Celsius), som handler om temperaturen på bilers udstødninger."

Martin Schröder, en hovedforfatter af undersøgelsen, professor i kemi og vicepræsident for University of Manchester, sagde, "Det globale marked for salpetersyre i 2016 var USD 2,5 mia. så der er et stort potentiale for producenter af denne MOF-teknologi til at få dækket deres omkostninger og profit fra den resulterende salpetersyreproduktion. Især da de eneste tilsætningsstoffer, der kræves, er vand og luft."

Som en del af forskningen forskerne brugte neutronspektroskopi og beregningsteknikker på ORNL til præcist at karakterisere, hvordan MFM-520 fanger nitrogendioxid-molekyler.

"Dette projekt er et glimrende eksempel på at bruge neutronvidenskab til at studere strukturen og aktiviteten af ​​molekyler inde i porøse materialer, " sagde Timmy Ramirez-Cuesta, medforfatter og koordinator for kemi- og katalyseinitiativet ved ORNLs direktorat for neutronvidenskab. "Takket være neutronernes gennemtrængende kraft, vi sporede, hvordan nitrogendioxid-molekylerne arrangerede og bevægede sig inde i materialets porer, og undersøgte de virkninger, de havde på hele MOF-strukturen. Det, der gjorde disse observationer mulige, er VISION vibrationsspektrometeret ved ORNL's Spallation Neutron Source, som har den højeste følsomhed og opløsning af sin art i verden."

Neutroners evne til at penetrere fast metal for at undersøge interaktionerne mellem nitrogendioxid-molekylerne og MFM-520 hjælper forskerne med at validere en computermodel af MOF-gasseparation og -konverteringsprocesser. En sådan model kan hjælpe med at forudsige, hvordan man kan producere og skræddersy andre materialer til at opfange en række forskellige gasser.

"Neutron vibrationsspektroskopi er et unikt værktøj til at studere adsorptions- og reaktionsmekanismer og gæst-vært-interaktioner på molekylært niveau, især når det kombineres med computersimulering, " sagde Yongqiang Cheng, en ORNL neutronspredningsforsker og medforfatter. "Samspillet mellem nitrogendioxid-molekylerne og MOF forårsager ekstremt små ændringer i deres vibrationsadfærd. Sådanne ændringer kan kun genkendes, når computermodellen præcist forudsiger dem."

"Karakteriseringen af ​​den mekanisme, der er ansvarlig for den høje, hurtig optagelse af NO2 vil informere fremtidige designs af forbedrede materialer til at opfange luftforurenende stoffer, " sagde Jiangnan Li, førsteforfatter og doktorand ved University of Manchester. "Efterbehandlingen af ​​den opfangede nitrogendioxid undgår behovet for at sekvestrere eller behandle gassen og giver fremtidig retning for ren luftteknologi."

At opfange drivhusgasser og giftige gasser fra atmosfæren har været en udfordring på grund af deres relativt lave koncentrationer, og fordi vand i luften konkurrerer med og ofte kan påvirke adskillelsen af ​​målrettede gasmolekyler fra andre gasser negativt. Et andet problem var at finde en praktisk måde at filtrere fra og omdanne opfangede gasser til nyttige, værdiskabende produkter. MFM-520 MOF-materialet tilbyder løsninger på mange af disse udfordringer.

Yderligere medforfattere til papiret, med titlen "Opsamling af nitrogendioxid og omdannelse til salpetersyre i en porøs metal-organisk ramme, " inkluderer Xue Han, Xinran Zhang, Alena M. Sheveleva, Floriana tun, Eric J.L. Mcinnes, Laura J. McCormick McPherson, Simon J. Teat og Luke L. Daemen.