Forskere bygger mikroporøse MOF-fælder til at afbøde giftige gasser

Nitrogendioxid og svovldioxid (NO₂ og SO₂ ) er giftige gasser, der er skadelige for miljøet og menneskers sundhed. Når de kommer ind i atmosfæren, kan de rejse hundredvis af kilometer, forurene luften og forårsage sur regn, som igen skader bygninger, træer og afgrøder. Eksponering for de giftige gasser kan også føre til luftvejsinfektioner, astma og kronisk lungesygdom.

Af de grunde står de såkaldte sure gasser højt på listen over forurenende stoffer, der er målrettet efter Clean Air Act, som pålægger Miljøstyrelsen at regulere og sætte grænser for NO₂ og SO₂ emissioner med det mål at forbedre luftkvaliteten og forebygge udbredte sygdomme.

Forskere udvikler materialer, der kan detektere og fange sure gasser, en indsats blandt nogle af de førende innovative strategier til at afbøde luftforurening og bekæmpe klimaændringer. Tilgangen består af forskellige teknologiske løsninger designet til at filtrere luften ved at opfange eller fange giftige gasser fra emissioner. I nogle tilfælde kan indfangede molekyler også opbevares og genbruges - kuldioxid kan for eksempel genbruges i visse applikationer for at fremme fotosyntese og plantevækst.

Materialer kaldet metalorganiske rammer eller MOF'er kan tage syre-gas-sekvestrering til det næste niveau, hvilket gør det til en mere levedygtig, praktisk tilgang til at forbedre luftkvaliteten på globalt plan. MOF'er er i det væsentlige en mikroskopisk matrix af metalatomer bundet til hinanden af ​​organiske molekyler, der danner et gentaget mønster af små, indbyrdes forbundne metalbure. De fungerer som en svamp, der kan klæbe eller opsuge molekyler til dens overflade. Faktisk er MOF'er så meget porøse, at den mængde, der ville passe inde i en persons lomme, hvis den strækkes ud, ville dække overfladen af ​​en hel fodboldbane.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet ACS Applied Materials and Interfaces , forskere, der søger efter kandidatmaterialer til at afhjælpe NO₂ og SO₂ undersøgte en række MOF'er, der kan fremstilles af hele familien af ​​sjældne jordarters metaller. De brugte computersimuleringer og en kombination af neutron- og røntgenspredningsforsøg til at hjælpe dem med at bestemme de optimale betingelser for at syntetisere materialerne. I processen afslørede de også vigtige detaljer om en interessant defekt, der dannes i MOF'erne, som de siger kunne være nyttige til at bygge enheder til at opfange emissioner eller registrere farlige niveauer af giftige gasser.

"Metalorganiske rammer er virkelig nye i deres fleksibilitet, deres kemi, og hvordan du kan skræddersy deres struktur. Hvis du bytter organiske molekyler ud, kan du tune strukturen til at målrette forskellige gasser," siger Sandia National Laboratorys Susan Henkelis, undersøgelsens ledende forfatter. "Sure gasser kommer typisk fra forbrændingsprocesser, så denne forskning kan være nyttig til at udvikle enheder til at hjælpe med at begrænse emissioner fra store industrianlæg som olieraffinaderier og fossile brændstoffer-baserede kraftværker."

Holdet omfatter forskere fra Department of Energy's (DOE) Sandia og Oak Ridge nationale laboratorier (ORNL) og University of Tennessee, Knoxville (UTK). Forskerne er en del af Center for Understanding and Control of Acid Gas-Induced Evolution of Materials, eller UNCAGE-ME, et program udviklet specifikt til at forstå interaktionerne mellem sure gasser og faste materialer. UNCAGE-ME er en del af en bredere forskningsindsats støttet af DOE's Energy Frontier Research Center (EFRC)-program, som samler forskningskapaciteter fra universiteter og nationale laboratorier for at give atom-skala indsigt i at tackle nogle af verdens største energiudfordringer, der kan kun opnås gennem store samarbejder.

"Det grundlæggende videnskabelige formål med dette arbejde var rettet mod at forstå, hvordan kemien og synteseprocessen skaber disse defekter, fordi vi ønsker at vide, hvordan defekterne kan kontrolleres, og hvad deres indflydelse er på adsorption af sure gasser," sagde Peter Metz, en postdoc-forsker ved UTK, som arbejdede i Neutron Sciences på ORNL i løbet af undersøgelsen. "For at gøre det skal vi forstå, hvordan atombindingerne i MOF'erne dannes, og hvordan atomerne er arrangeret."

Ideelt set danner burene inde i hver syntetiseret MOF en terning. Hvert hjørne indeholder en klynge af seks sjældne jordarters metalioner med en anden klynge i midten af ​​kuben. Hvert par metalioner i klyngen forbindes med et andet par i en anden klynge ved hjælp af et enkelt led eller et linkermolekyle.

Men nogle gange opstår der en defekt, især i MOF'er lavet af europium-ioner, hvor linkeren knækker og blotlægger den sjældne jordart-ion, hvilket øger sandsynligheden for, at et forurenende molekyle bliver fanget i strukturen.

For at finde ud af, hvorfor dette sker, brugte forskerne en kombination af neutron- og røntgenspredningsforsøg til at kortlægge materialernes atomare strukturer.

De brugte røntgenstråler til at finde tungmetalelementerne, hvilket gav en oversigt over den overordnede struktur. Og for bedre at forstå, hvordan de organiske molekyler er arrangeret, bombarderede de materialerne med neutroner ved hjælp af POWGEN-instrumentet ved ORNL's Spallation Neutron Source (SNS), som hjalp dem med at spore positionerne af brint-, kulstof- og oxygenatomerne, der danner molekylet bindinger mellem metalionklyngerne.

Ud fra eksperimenterne var holdet i stand til at fastslå, at materialerne med defekterne faktisk dannedes hurtigere end deres defektfrie modstykker. De opdagede også, at defekterne med vilje kunne induceres ved at justere temperaturerne og den tid, det tager at dyrke de krystallinske materialer.

Holdet brugte derefter de strukturelle data opnået fra eksperimenterne til at køre computersimuleringer for at se, hvordan hvert af materialerne – med og uden defekterne – interagerede med de giftige gasser NO₂ og SO₂ .

"Selvom disse nye indsigter er på grundforskningssiden af ​​tingene, kan de have en stor indflydelse hen ad vejen," sagde Sandias Tina Nenoff, undersøgelsens tilsvarende forfatter. "Vi lærte ny information om, hvordan disse materialer dannes, som vi kan bruge til at kontrollere og designe MOF'er med mere specificitet. Og desuden udviklede vi en omfattende tilgang til evaluering af store serier af MOF'er, som vil hjælpe med at fremskynde tempoet i at finde nye kandidatmaterialer og udvikle dem i nyttige teknologier." + Udforsk yderligere

Kemiske ingeniører bruger neurale netværk til at opdage egenskaberne ved metal-organiske rammer