Новое исследование, проведенное Манчестерским университетом, позволило разработать металлорганический каркасный материал (MOF), который обеспечивает избирательную, полностью обратимую и повторяемую способность улавливать двуокись азота (NO2), токсичный загрязнитель воздуха, образующийся, в частности, из дизельного топлива и биотоплива. использовать. Затем NO2 можно легко преобразовать в азотную кислоту – это многомиллиардная отрасль, в которой используются, в том числе, сельскохозяйственное удобрение для сельскохозяйственных культур; ракетное топливо и нейлон.
MOF – это крошечные трехмерные структуры, которые являются пористыми и могут удерживать газы внутри, действуя как клетки. Внутренние пустые пространства в MOF могут быть огромными для своего размера, всего один грамм материала может иметь площадь поверхности, эквивалентную футбольному полю.
Высокоэффективный механизм в этом новом MOF был охарактеризован исследователями, использующими рассеяние нейтронов и синхротронную дифракцию рентгеновских лучей в Национальной лаборатории Окриджа Министерства энергетики и Национальной лаборатории Беркли соответственно. Команда также использовала Национальную службу спектроскопии электронного парамагнитного резонанса в Манчестере для изучения механизма адсорбции NO2 в MFM-520.
Технология может привести к контролю за загрязнением воздуха и помочь устранить негативное воздействие диоксида азота на окружающую среду.
Asin Nature Chemistry, материал, названный MFM-520, может улавливать диоксид азота при атмосферном давлении и температуре – даже при низких концентрациях и во время потока – в присутствии влаги, диоксида серы и диоксида углерода. Несмотря на высокую реакционную природу загрязнителя, MFM-520 доказал свою способность многократно полностью регенерировать путем дегазации или обработки водой на воздухе – процесса, который также преобразует диоксид азота в азотную кислоту.
"Это первая MOF, которая улавливает и превращает токсичный газообразный загрязнитель воздуха в полезный промышленный товар.- сказал доктор Сихай Ян, ведущий автор и старший преподаватель химического факультета Манчестерского университета. "Также интересно, что самая высокая скорость поглощения NO2 этим MOF происходит при температуре около 45 градусов по Цельсию, что примерно соответствует температуре автомобильных выхлопов."
Профессор, вице-президент и декан факультета науки и инженерии Манчестерского университета Мартин Шредер, ведущий автор исследования, сказал: «Мировой рынок азотной кислоты в 2016 году составлял 2 доллара США.5 миллиардов, поэтому у производителей этой технологии MOF есть большой потенциал, чтобы окупить свои затраты и получить прибыль от полученного в результате производства азотной кислоты. Тем более, что требуются только вода и воздух."
В рамках исследования ученые использовали нейтронную спектроскопию и вычислительные методы в ORNL, чтобы точно охарактеризовать, как MFM-520 захватывает молекулы диоксида азота.
«Этот проект является прекрасным примером использования нейтронной науки для изучения структуры и активности молекул внутри пористых материалов», – сказал Тимми Рамирес-Куэста, соавтор и координатор инициативы по химии и катализу в Управлении нейтронных наук ORNL. «Благодаря проникающей способности нейтронов мы отслеживали, как молекулы диоксида азота располагаются и перемещаются внутри пор материала, и изучали их влияние на всю структуру MOF."
"Описание механизма, ответственного за высокое и быстрое поглощение NO2, послужит основой для будущих разработок улучшенных материалов для улавливания загрязнителей воздуха."сказал Цзяннань Ли, первый автор и аспирант Манчестерского университета.
В прошлом улавливание парниковых и токсичных газов из атмосферы было сложной задачей из-за их относительно низких концентраций, а также из-за того, что вода в воздухе конкурирует и часто может отрицательно влиять на отделение целевых молекул газа от других газов. Еще одна проблема заключалась в поиске практического способа фильтрации и преобразования улавливаемых газов в полезные продукты с добавленной стоимостью.
Материал MFM-520 предлагает решения многих из этих проблем.