Robust MOF-materiale udviser selektive, fuldt reversibel og gentagelig opsamling af giftig atmosfærisk gas

Ledet af University of Manchester, et internationalt hold af videnskabsmænd har udviklet et metal-organisk rammemateriale (MOF), der udviser en selektiv, fuldt reversibel og repeterbar evne til at fjerne nitrogendioxidgas fra atmosfæren under omgivende forhold. Denne opdagelse, bekræftet af forskere, der bruger neutronspredning ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, kunne føre til luftfiltreringsteknologier, der omkostningseffektivt opfanger og konverterer store mængder målrettede gasser, herunder kuldioxid og andre drivhusgasser, at lette deres langsigtede sekvestrering for at hjælpe med at afbøde luftforurening og global opvarmning.

Som rapporteret i Naturmaterialer , materialet betegnet som MFM-300(Al) udviste den første reversible, selektiv opsamling af nitrogendioxid ved omgivende tryk og temperaturer - ved lave koncentrationer - i nærvær af fugt, svovldioxid og kuldioxid. På trods af den meget reaktive natur af nitrogendioxid, MFM-300(Al)-materialet viste sig ekstremt robust, demonstrerer evnen til at blive fuldstændigt regenereret, eller afgasset, flere gange uden tab af krystallinitet eller porøsitet.

"Dette materiale er det første eksempel på en metal-organisk ramme, der udviser en meget selektiv og fuldt reversibel evne til gentagen adskillelse af nitrogendioxid fra luften, selv i nærvær af vand, " sagde Sihai Yang, en af ​​undersøgelsens hovedforfattere og underviser i uorganisk kemi ved Manchester's School of Chemistry.

Professor Martin Schröder, en anden hovedforfatter fra Manchester Chemistry, kommenterede, "Andre undersøgelser af forskellige porøse materialer viste ofte, at ydeevnen blev forringet i efterfølgende cyklusser af nitrogendioxid, eller at regenereringsprocessen var for vanskelig og dyr."

Som en del af forskningen forskerne brugte neutronspredningsteknikker ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory til at bekræfte og præcist karakterisere, hvordan MFM-300(Al) fanger nitrogendioxid-molekyler.

"Neutroner kan nemt trænge igennem tætte materialer, og de er følsomme over for lettere elementer, såsom brintatomerne inde i MFM, hvilket gjorde det muligt for os at observere, hvordan nitrogendioxid-molekylerne er indespærret i porerne i nanostørrelse, " sagde Timmy Ramirez-Cuesta, en medforfatter og koordinator for kemi- og katalyseinitiativet ved ORNLs direktorat for neutronvidenskab. "Vi nød godt af den ekstremt høje følsomhed og kvantitative data leveret af VISION vibrationsspektroskopiinstrumentet på ORNL's 16-B beamline ved Spallation Neutron Source, som bruger neutroner i stedet for fotoner til at undersøge molekylære vibrationer."

Evnen til direkte at observere, hvordan og hvor MFM-300(Al) fanger nitrogendioxid, hjælper forskerne med at validere en computermodel af MOF-gasseparationsprocessen, som kunne hjælpe med at identificere, hvordan man kan producere og skræddersy andre materialer til at opfange en række forskellige gasser.

"Computermodellering og simulering spillede en afgørende rolle i fortolkningen af ​​neutronspredningsdata ved at hjælpe os med at forbinde subtile ændringer i vibrationsspektrene til interaktioner mellem MFM-300 og fangede molekyler, " sagde Yongqiang Cheng, en ORNL neutronspredningsforsker og medforfatter. "Vores mål er at integrere modellen med eksperimentelle teknikker for at levere resultater, som ellers er svære at opnå."

At fange drivhusgasser og giftige gasser fra atmosfæren har længe været en udfordring, på grund af deres relativt lave koncentrationer og tilstedeværelsen af ​​fugt i luften, som negativt kan påvirke adskillelse af målrettede gasmolekyler fra andre gasser. En anden udfordring har været at finde en praktisk måde at frigive en opfanget gas til langsigtet sekvestrering, såsom i underjordiske udtømte oliereservoirer eller saltvandsfyldte klippeformationer. MOF'er tilbyder løsninger på mange af disse udfordringer, derfor er de genstand for nyere videnskabelige undersøgelser.

Forskerholdet involverede forskere fra institutioner i fem nationer, herunder University of Nottingham, University of Newcastle upon Tyne, University of Nottingham Ningbo Kina, Peking Universitet, det internationale tomograficenter SB RAS, Novosibirsk State University, og European Synchrotron Radiation Facility i Grenoble.

Yderligere medforfattere til papiret, med titlen "Reversibel adsorption af nitrogendioxid inden for en robust porøs metal-organisk ramme, " inkluderer Xue Han, Harry G.W. Godfrey, Lydia Briggs, Andrew J. Davies, Luke L. Daemen, Alena M. Sheveleva, Floriana tun, Eric J.L. McInnes, Junliang Sun, Christina Drathen, Michael W. George, og K. Mark Thomas.