Koolmonoxide is een verraderlijk gif omdat het dol is op het ijzer in ons bloed; het duwt zuurstof uit op ijzer gebaseerde hemoglobine, leiden tot pijnlijke verstikking.

Deze affiniteit met ijzer komt goed van pas in een nieuw gemaakt materiaal dat veel beter koolmonoxide kan absorberen dan andere materialen, met potentiële toepassingen in industriële processen zoals de productie van syngas, waar CO een belangrijke speler is, en reacties waarbij CO een ongewenste verontreiniging is.

Het nieuwe materiaal is een metaal-organisch raamwerk - een verbazingwekkend poreus materiaal met een groeiende lijst van toepassingen - dat ketens van ijzeratomen bevat die zijn afgestemd om CO aan te trekken en andere chemische verbindingen uit te sluiten. Wanneer CO bindt aan een ijzeratoom in de MOF, het verandert de omgeving van aangrenzende ijzeratomen om ze nog aantrekkelijker te maken voor CO, het creëren van een kettingreactie.

"We zien dit coöperatieve adsorptie-effect waarbij binding op één site de aangrenzende sites activeert, wat betekent dat je ineens van heel weinig adsorptie naar in wezen verzadiging van het materiaal met CO gaat, " zei senior onderzoeker Jeffrey Long, een UC Berkeley hoogleraar scheikunde en faculteitswetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory.

De CO-binding draait de spintoestand van ijzer om, vandaar de terminologie van Long voor het materiaal:spin-overgang MOF's.

Twee jaar geleden, Long stuitte per ongeluk op de eerste van dit soort coöperatieve adsorbens toen hij een MOF creëerde die koolstofdioxide veel beter adsorbeerde dan andere materialen.

"Het koolstofdioxide-opvangmateriaal waar we in 2015 geluk mee hadden, was een eerste in zijn soort materiaal voor coöperatieve absorptie, " zei hij. "Nu hebben we aangetoond dat coöperatieve MOF-adsorbentia door ontwerp kunnen worden gebouwd om andere belangrijke industrieel relevante moleculen voor scheiding aan te pakken. Het is een fundamenteel nieuw mechanisme waarbij, door de aan het ijzer gebonden liganden aan te passen, u kunt mogelijk onverzadigde koolwaterstoffen krijgen, zoals acetyleen, ethyleen en propyleen om ook te binden."

Het onderzoek, online geplaatst 11 september voorafgaand aan publicatie in het tijdschrift Natuur , werd ondersteund door het Centre for Gas Seperations Relevant to Clean Energy Technologies, een Energy Frontier Research Center dat gezamenlijk wordt beheerd door UC Berkeley en Berkeley Lab en wordt gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie.

Herstel in plaats van koolmonoxide te verbranden

CO wordt gebruikt in verschillende industriële processen, onder meer als onderdeel van synthesegas - een mengsel van CO en waterstof dat wordt gebruikt om synthetische brandstof te maken of om andere chemicaliën te synthetiseren. Deze MOF's kunnen dienen als reservoirs voor CO om de juiste verhouding van CO tot waterstof voor een bepaalde reactie te behouden.

In zuivere vorm, CO is ook essentieel bij de productie van ijzer en staal. Long voorspelt dat de nieuwe MOF kan worden gebruikt om CO te extraheren uit de bijproducten van gemengd gas van een dergelijke productie om gerecyclede CO te leveren voor hergebruik. In de meeste gevallen vandaag deze menggassen worden verbrand, Lang zei, verantwoordelijk voor een groot deel van de broeikasgassen die door de staalindustrie worden geproduceerd.

Dergelijke MOF's kunnen ook helpen CO op te zuigen in reacties waarbij CO de katalysator vergiftigt, zoals bij de productie van ammoniak voor meststoffen of polymeren zoals polyethyleen en polypropyleen, en in waterstofbrandstofcellen.

"Er zijn veel plekken in de industrie waar je CO voldoende wilt scheiden, en deze spin-overgang MOF's kunnen daar mogelijk een rol spelen, ' zei Lang.

In praktijk, de MOF's zouden CO adsorberen bij kamertemperatuur, dan licht worden verwarmd om de CO te verdrijven, het gereedmaken van de MOF voor hergebruik. Deze spin-overgang MOF's kunnen nauwkeurig worden afgesteld, zodat slechts een kleine temperatuurstijging - van 20 C tot 60 C, bijvoorbeeld - geeft de CO vrij, die aanzienlijk minder energie nodig hebben dan andere afvang- of opslagtechnologieën, zoals cryogene distillatie.

Als voorbeeld, ze vergeleken hun spin-overgang MOF met een commercial, vloeibaar absorberend proces voor het terugwinnen van CO, die COSORB wordt genoemd. Uit de eerste berekeningen bleek dat de MOF slechts 32 procent van de energie nodig heeft om CO op te vangen en opnieuw te gebruiken als het COSORB-proces.