Forskning i ren luft omdanner giftig luftforurening til industrikemikalie

Et giftigt forurenende stof produceret ved afbrænding af fossile brændstoffer kan opsamles fra udstødningsgasstrømmen og omdannes til nyttige industrielle kemikalier kun ved brug af vand og luft takket være et nyt avanceret materiale udviklet af et internationalt hold af videnskabsmænd.

Ny forskning ledet af University of Manchester, har udviklet et metal-organisk rammemateriale (MOF), der giver en selektiv, fuldt reversibel og repeterbar evne til at opfange nitrogendioxid (NO ₂ ), et giftigt luftforurenende stof produceret især ved brug af diesel og biobrændstof. NEJ ₂ kan derefter nemt omdannes til salpetersyre, en multi-milliard dollar industri med anvendelser, herunder, landbrugsgødning til afgrøder; raketdrivmiddel og nylon.

MOF'er er små tredimensionelle strukturer, som er porøse og kan fange gasser inde, fungerer som bure. De interne tomme rum i MOF'er kan være enorme for deres størrelse, kun et gram materiale kan have et overfladeareal svarende til en fodboldbane.

Den meget effektive mekanisme i denne nye MOF blev karakteriseret ved at forskere brugte neutronspredning og synkrotron røntgendiffraktion ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory og Berkeley National Laboratory, henholdsvis. Holdet brugte også National Service for Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy i Manchester til at studere mekanismen for adsorption af NO ₂ i MFM-520. Teknologien kan føre til luftforureningskontrol og hjælpe med at afhjælpe den negative påvirkning af nitrogendioxid på miljøet.

Som i Naturkemi , materialet, kaldet MFM-520, kan opfange 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 i luft - en proces, der også omdanner nitrogendioxid til salpetersyre.

"Dette er den første MOF til både at fange og omdanne en giftig, gasformig luftforurening til en nyttig industrivare." sagde Dr. Sihai Yang, en hovedforfatter og en lektor ved University of Manchester's Department of Chemistry. "Det er også interessant, at den højeste rate af NO ₂ optagelse af denne MOF sker ved omkring 45 grader Celsius, som handler om temperaturen på bilers udstødninger."

Professor og vicepræsident og dekan for Fakultet for Naturvidenskab og Teknik ved University of Manchester Martin Schröder, en hovedforfatter af undersøgelsen, 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."

"Karakteriseringen af ​​den mekanisme, der er ansvarlig for den høje, hurtig optagelse af NO ₂ vil informere fremtidige designs af forbedrede materialer til at opfange luftforurenende stoffer." sagde Jiangnan Li, den første forfatter og en ph.d. studerende ved University of Manchester.

I fortiden, at opfange drivhusgasser og giftige gasser fra atmosfæren var en udfordring på grund af deres relativt lave koncentrationer, og fordi vand i luften konkurrerer 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-materialet tilbyder løsninger på mange af disse udfordringer.