Nye spin-transition metal-organiske rammer bruger meget mindre energi til at fange, genbruge kulilte

Kulilte er en snigende gift, fordi den elsker jernet i vores blod; det skubber ilt ud af jernbaseret hæmoglobin, fører til smertefuld kvælning.

Denne affinitet til jern er praktisk i et nyskabt materiale, der kan absorbere kulilte langt bedre end andre materialer, med potentielle anvendelser i industrielle processer som syngasproduktion, hvor CO er en nøglespiller, og reaktioner, hvor CO er en uønsket forurening.

Det nye materiale er en metal-organisk ramme - et forbløffende porøst materiale med en voksende liste af anvendelser - der inkorporerer kæder af jernatomer, der er indstillet til at tiltrække CO og udelukke andre kemiske forbindelser. Når CO binder til et jernatom i MOF, det ændrer miljøet for tilstødende jernatomer for at gøre dem endnu mere attraktive for CO, skabe en kædereaktion.

"Vi ser denne kooperative adsorptionseffekt, hvor binding på et sted aktiverer de tilstødende steder, hvilket betyder, at man pludselig går fra meget lidt adsorption til i det væsentlige at mætte materialet med CO, " sagde seniorforsker Jeffrey Long, en UC Berkeley professor i kemi og fakultetsforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory.

CO-bindingen ændrer spin-tilstanden af ​​jern, derfor Longs terminologi for materialet:spin-transition MOF'er.

To år siden, Long faldt ved et uheld over den første af denne type kooperativ adsorbent, da han skabte en MOF, der adsorberede kuldioxid langt bedre end andre materialer.

"Det kuldioxidopfangningsmateriale, vi var heldige med i 2015, var et første af sin slags materiale til kooperativ absorption, " sagde han. "Nu har vi vist, at kooperative MOF-adsorbenter kan bygges ved design for at målrette andre vigtige industrielt relevante molekyler til adskillelse. Det er en fundamental ny mekanisme, hvor ved at justere ligander bundet til jernet, du kan muligvis få umættede kulbrinter som acetylen, ethylen og propylen for også at binde."

Forskningen, lagt online 11. september forud for offentliggørelse i tidsskriftet Natur , blev støttet af Center for Gasseparationer, der er relevante for rene energiteknologier, et Energy Frontier Research Center, der drives i fællesskab af UC Berkeley og Berkeley Lab og finansieret af det amerikanske energiministerium.

Genvinder i stedet for at brænde kulilte

CO bruges i en række industrielle processer, herunder som en komponent i syntesegas - en blanding af CO og brint, der bruges til at fremstille syntetisk brændstof eller til at syntetisere andre kemikalier. Disse MOF'er kan tjene som reservoirer for CO for at opretholde det korrekte forhold mellem CO og brint for en bestemt reaktion.

I ren form, CO er også afgørende i jern- og stålproduktion. Long forudsiger, at den nye MOF kan bruges til at udvinde CO fra de blandede gasbiprodukter fra en sådan fremstilling for at give genbrugt CO til genbrug. I de fleste tilfælde i dag, disse blandede gasser forbrændes, Lang sagde, står for en stor del af de drivhusgasser, som stålindustrien producerer.

Sådanne MOF'er kan også hjælpe med at opsuge CO i reaktioner, hvor CO forgifter katalysatoren, såsom i produktionen af ​​ammoniak til gødning eller polymerer som polyethylen og polypropylen, og i brintbrændselsceller.

"Der er mange steder, hvor man vil adskille CO tilstrækkeligt i industrien, og disse spinovergangs-MOF'er kan potentielt spille en rolle der, " sagde Long.

I praksis, MOF'erne ville adsorbere CO ved stuetemperatur, opvarmes derefter lidt for at fjerne CO, klargøring af MOF til genbrug. Disse spin-transition MOF'er kan indstilles præcist, så kun en lille temperaturstigning - fra 20 C til 60 C, for eksempel - frigiver CO, kræver væsentligt mindre energi end andre opsamlings- eller lagringsteknologier, såsom kryogen destillation.

Som et eksempel, de sammenlignede deres spin-overgang MOF med en reklamefilm, væskeabsorberende proces til genvinding af CO, som kaldes COSORB. Indledende beregninger viste, at MOF kun kræver 32 procent af energien for at opfange og genbruge CO som COSORB-processen.