Flipped metaloxidbur kan sortere kuldioxid fra kulilte

Hvordan adskiller man kuldioxid fra kulilte? En vej, fremvist af en ny undersøgelse fra Kanazawa University, er at bruge en skål vanadium. Mere præcist, en hulning, sfærisk klynge af vanadatmolekyler kan skelne mellem CO og CO ₂ , muliggør potentielle anvendelser i CO ₂ opbevaring og fangst.

På molekylær skala, små genstande kan passe ind i større, ligesom i hverdagens verden. De resulterende arrangementer, kendt som vært-gæst-interaktioner, stabiliseres af ikke-kovalente kræfter som elektrostatik og hydrogenbindinger. Hver vært vil med glæde tage visse molekyler ind, mens man lukker andre ude, afhængig af størrelsen af ​​dens entré og hvor meget indvendig plads den kan tilbyde gæsten.

En sådan vært er V ₁₂ — en ru kugle lavet af 12 atomer af overgangsmetallet vanadium, forbundet gennem 32 oxygenatomer. Den skållignende struktur har en åbning i den ene ende, med en bredde på 0,44 nanometer, perfekt til at lukke det rigtige molekyle ind i hulrummet.

"V ₁₂ tager imod en række gæster på skalaen af ​​små organiske forbindelser, " siger Yuji Kikukawa, co-korresponderende forfatter til Kanazawa-undersøgelsen i Angewandte Chemie . "Faktisk, det er ret svært at isolere et tomt V ₁₂ af sig selv. Mens værten stabiliserer sin gæst, så gæsten returnerer tjenesten - hvis vi fjerner gæsten, værten erstatter det hurtigt med et andet molekyle."

Hvert vanadiumatom i V ₁₂ danner en firkantet pyramide med fem oxygenatomer. Ilten af ​​hver VO ₅ pege udad, mens den positive ladning fra vanadium fylder det indre hulrum, hjælper med at stabilisere elektronrige (eller anioniske) gæster. Imidlertid, Kanazawa-teamet skabte en gæstefri V ₁₂ for første gang, ved at bruge et opløsningsmiddel - acetone - hvis molekyler er for omfangsrige til at passe gennem indgangen.

For at råde bod på den forsvundne gæst, det tomme V ₁₂ skål gjorde noget uventet. VO ₅ enhed i bunden vendt indad, som en paraply, der vender om i kraftig vind. Nu, værtskaviteten blev fyldt af den negative terminale oxygen af ​​den enkelte "på hovedet" VO ₅ . Dette atomskifte for at rumme en ny struktur, kaldet en polytopal omlejring, var aldrig set i metaloxidklynger. Strukturtransformationen kunne overvåges ved infrarød spektroskopi.

"Så tog vi den tomme V ₁₂ og undersøgte hvilke gæster vi kunne sætte tilbage i skålen, " siger forfatterne. "Nitrogen, metan og kulilte blev alle afvist, men kuldioxid blev let optaget. Dette antyder umiddelbart en måde at adskille CO ₂ fra andre gasser."

Faktisk, V ₁₂ og CO ₂ viste sig at passe så perfekt, at CO ₂ kunne indsættes selv ved lavt atmosfærisk tryk. V ₁₂ kan derfor være en ideel løsning i CO ₂ fangst for at bekæmpe klimaændringer, og endda i CO ₂ opbevaring til den nye teknologi inden for kunstig fotosyntese.