Verdensrekorder fra kemikere forbedrer evnen til at opfange CO2

Kemikere fra UCLA og Sydkorea rapporterer "den ultimative porøsitet af et nanomateriale, "at opnå verdensrekorder for både porøsitet og kuldioxidlagringskapacitet i en vigtig klasse af materialer kendt som MOF'er, eller metal-organiske rammer.

MOF'er, nogle gange beskrevet som krystalsvampe, har porer — åbninger på nanoskala, som kan opbevare gasser, der normalt er svære at opbevare og transportere. Porøsitet er afgørende for at komprimere store mængder gasser til små volumener og er en væsentlig egenskab for at opfange kuldioxid.

Forskningen kan føre til renere energi og evnen til at opfange varmefangende kuldioxidemissioner, før de når atmosfæren og bidrage til global opvarmning, stigende havniveauer og den øgede surhedsgrad i havene.

Forskningen vil blive offentliggjort den 23. juli i den trykte udgave af tidsskriftet Videnskab og er i øjeblikket tilgængelig i tidsskriftets forhåndsudgave online.

"Vi rapporterer den ultimative porøsitet af et nanomateriale; vi mener, at dette er den øvre grænse eller meget tæt på den øvre grænse for porøsitet i materialer, sagde avisens seniorforfatter, Omar Yaghi, en UCLA-professor i kemi og biokemi og medlem af både California NanoSystems Institute (CNSI) ved UCLA og UCLA-Department of Energy Institute of Genomics and Proteomics.

"Porøsitet er en måde at gøre meget med lidt, " sagde Yaghi, som har UCLA's Irving og Jean Stone Chair i fysiske videnskaber og leder CNSI's Center for Reticular Chemistry. "I stedet for kun at have den udvendige overflade af en partikel, vi borer små huller for at øge overfladen dramatisk."

Med hovedforfatteren Hiroyasu (Hiro) Furukawa, medforfatter Jaheon Kim og kolleger, Yaghi rapporterer om to materialer, der ikke kun bryder porøsitetsrekorden, men gør det med en ekstremt stor margin. Materialerne er MOF-200, lavet ved UCLA af Furukawa, en postdoc i Yaghis laboratorium, og MOF-210, lavet på Seouls Soongsil University i Sydkorea af Kim, en kemiprofessor og tidligere kandidatstuderende i Yaghis laboratorium, og kolleger.

"Vi har ikke kun gjort trinvise fremskridt med MOF'er, " sagde Yaghi, hvis forskning overlapper kemi, materialevidenskab og teknik. "Det særlige ved MOF-200 og MOF-210 er, at de nærmer sig grænsen for, hvad man kan få i et materiale. Måske kan vi designe bedre strukturer, men de bliver ikke nemme at lave."

Opfundet af Yaghi i begyndelsen af ​​1990'erne, MOF'er er som stilladser lavet af forbundne stænger, med porer i nanoskala, der har den rigtige størrelse til at fange kuldioxid. Komponenterne i MOF'er kan næsten ændres efter behag, og Yaghis laboratorium har lavet flere hundrede MOF'er, med en række egenskaber og strukturer.

Siden 1999, MOF'er har haft rekorden for at have den højeste porøsitet af noget materiale. MOF'er kan laves af billige ingredienser, såsom zinkoxid, en almindelig ingrediens i solcreme, og terephthalat, som findes i plastiksodavandsflasker.

Yaghi opdagede nøglen til at lave meget porøse strukturer, som han og kolleger rapporterede i journalen Natur i 2004 (MOF-177 brød den tidligere porøsitetsrekord, som havde været afholdt siden 1999 af Yaghis MOF-5) og i Videnskab i 2005. Siden da har kemikere har været i et kapløb om at lave højere og højere overfladearealer til materialer, med den højeste porøsitet.

Nu Yaghi, Furukawa og Kim har lavet MOF'er, der er dobbelt så meget porøs som MOF-177, tre gange porøsiteten af ​​MOF-5 og 10 gange porøsiteten af ​​det mest porøse materiale før 1999. Det betyder, at de nu kan lagre dobbelt så meget gas, som de kunne i 2004, en enorm stigning.

"Hvis jeg tager et gram MOF-200 og optrævler det, det vil dække mange fodboldbaner, og det er den plads, du har til at samle gasser, " sagde Yaghi. "Det er ligesom magi. Fyrre tons MOF'er er lig med hele Californiens overfladeareal.

"Dette er kun begyndelsen på MOF'er, " han sagde, "For nu kan vi se platformen af ​​materialer, som vi kan bygge på. I videnskaben, at nå grænsen ved at eksperimentere er storslået, og nu kan vi teste egenskaberne af disse materialer til forskellige anvendelser. Kravene til at lave et levedygtigt materiale til kuldioxidopsamling er høj kapacitet og høj selektivitet. Vi rapporterede før om, hvordan man får høj selektivitet for kuldioxid; nu viser vi, hvordan man får høj kapacitet. De industrielle applikationer er ved at blive implementeret eller, i visse tilfælde, er i gang med at blive udviklet. Mange virksomheder arbejder på udviklingen af ​​MOF'er."

For eksempel, BASF, en global kemivirksomhed baseret i Tyskland, laver store mængder MOF'er, som sælges af Sigma-Aldrich, en life science og højteknologisk virksomhed.

Yaghi, Furukawa og Kim rapporterer også ind Videnskab en rekord for kuldioxidlagringskapacitet. MOF-200 og MOF-210 optager den største mængde brint, metan og kuldioxid, efter vægt, nogensinde opnået.

Den 12. februar i år, Yaghi, UCLA kandidatstuderende Hexiang Deng, Furukawa og UCLA-kolleger rapporterede i Videnskab deres skabelse af et syntetisk "gen", der kunne opfange kuldioxidemissioner.

Kuldioxid forurener jordens atmosfære og ødelægger koralrev og livet i havet - påvirkninger, der er irreversible i vores levetid, sagde Yaghi.

Med den nye forskning, det er nu muligt at udvikle det syntetiske gen med MOF-200 og MOF-210, giver det et meget større overfladeareal.

"MOF'er er en klasse af materialer uden sidestykke af nogen anden, " sagde Yaghi. "MOF'er er blandt den største klasse af materialer, der nogensinde er lavet, i antal, variation og mangfoldighed af sammensætning."

Furukawa, som har arbejdet i Yaghis laboratorium i syv år, opnåede sin ph.d. fra universitetet i Tokyo.

"Hiro opdagede en måde at evakuere fuldstændigt opløsningsmidlet, som ellers ville fylde hullerne, som gav adgang til porøsiteten, " sagde Yaghi. "Det var magien."

At lære af 'As the World Turns' og 'Three's Company'

Da Furukawa kom til USA på et japansk stipendium, han talte næsten ikke engelsk.

Yaghi, en af ​​verdens store videnskabsmænd, husker uden forlegenhed, hvordan han så "As the World Turns" og "Days of Our Lives" for at lære engelsk, da han kom til New York fra Jordan som 15-årig.

"Da jeg hentede Hiro, "Yaghi sagde, "Jeg troede, 'Han har ingen anelse om den verden, han går ind i' - Amerika eller mit laboratorium. Jeg sagde til ham, 'Jeg vil ikke tale med dig, før du køber et lille fjernsyn, og du ser sæbeoperaer hver dag; Jeg vil have, at du lærer engelsk.' Den måde, jeg lærte engelsk på, var at læse avisen med en ordbog og understrege ord, jeg ikke forstod. Næsten hver anden linje havde et understreget ord, som jeg slog op, men du lærer meget hurtigt. Jeg så sæbeoperaer, også. Jeg plejede at løbe tilbage til mit værelse fra skole for at se, hvad der skete. Historierne bevæger sig ikke særlig hurtigt; det er næsten som at lave research."

Furukawa tog Yaghis råd og så genudsendelser af "Three's Company".

"Jeg kunne ikke forstå det i starten, " han sagde, "men senere, det var nemt at følge."

Hvordan beslutter Yaghi, hvilke elever der skal optages i hans laboratorium?

"Du skal se ind i deres øjne og se, om der er passion og energi, " sagde Yaghi. "Teknisk evne skal kombineres med evnen til at udnytte dit potentiale og løfte dit sind."

Furukawa arbejder ofte indtil kl. ofte på sin computer derhjemme.

"Når jeg vil afslutte noget, Jeg kan godt lide at blive ved med at arbejde, " han sagde.

"Det bedste, jeg lærte af professor Yaghi, "Furukawa sagde, "er ikke kemi, men hans måde at tænke på. Da jeg sluttede mig til hans gruppe, Jeg var meget overrasket, for jeg har aldrig set en professor, der tænker som ham i Japan. Han offentliggør kun exceptionelle resultater. Derfor er han leder af feltet. Han motiverer os til at finde gennembrud, nye koncepter og verdensrekorder. Oplevelsen af ​​at arbejde i hans laboratorium har absolut forbedret mit sind og min tankeproces."