Onder leiding van de Universiteit van Manchester, een internationaal team van wetenschappers heeft een metaal-organisch raamwerkmateriaal (MOF) ontwikkeld dat een selectieve, volledig omkeerbaar en herhaalbaar vermogen om onder omgevingsomstandigheden stikstofdioxidegas uit de atmosfeer te verwijderen. Deze ontdekking, bevestigd door onderzoekers die neutronenverstrooiing gebruiken in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, zou kunnen leiden tot luchtfiltratietechnologieën die op kosteneffectieve wijze grote hoeveelheden gerichte gassen opvangen en omzetten, inclusief kooldioxide en andere broeikasgassen, om hun opslag op lange termijn te vergemakkelijken om de luchtvervuiling en de opwarming van de aarde te helpen verminderen.

Zoals gemeld in Natuurmaterialen , het materiaal aangeduid als MFM-300 (Al) vertoonde de eerste omkeerbare, selectieve afvang van stikstofdioxide bij omgevingsdrukken en temperaturen - bij lage concentraties - in aanwezigheid van vocht, zwaveldioxide en koolstofdioxide. Ondanks het zeer reactieve karakter van stikstofdioxide, het MFM-300(Al) materiaal bleek extreem robuust, het aantonen van het vermogen om volledig te worden geregenereerd, of ontgast, meerdere keren zonder verlies van kristalliniteit of porositeit.

"Dit materiaal is het eerste voorbeeld van een metaal-organisch raamwerk dat een zeer selectief en volledig omkeerbaar vermogen vertoont voor herhaalde scheiding van stikstofdioxide uit de lucht, zelfs in aanwezigheid van water, " zei Sihai Yang, een van de hoofdauteurs van de studie en een docent anorganische chemie aan de Manchester School of Chemistry.

Professor Martin Schröder, een andere hoofdauteur van Manchester Chemistry, commentaar, "Andere studies van verschillende poreuze materialen vonden vaak dat de prestaties in volgende cycli werden verslechterd door stikstofdioxide, of dat het regeneratieproces te moeilijk en te duur was."

Als onderdeel van het onderzoek, de wetenschappers gebruikten neutronenverstrooiingstechnieken bij het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy om te bevestigen en precies te karakteriseren hoe MFM-300 (Al) stikstofdioxidemoleculen vangt.

"Neutronen kunnen gemakkelijk doordringen in dichte materialen en ze zijn gevoelig voor lichtere elementen, zoals de waterstofatomen in de MFM, waardoor we konden zien hoe de stikstofdioxidemoleculen zijn opgesloten in de poriën van nanogrootte, " zei Timmy Ramirez-Cuesta, een co-auteur en coördinator voor het chemie- en katalyse-initiatief bij het directoraat Neutronenwetenschappen van ORNL. "We hebben geprofiteerd van de extreem hoge gevoeligheid en kwantitatieve gegevens die worden geleverd door het VISION-vibratiespectroscopie-instrument op ORNL's 16-B-bundellijn bij de Spallation Neutron Source, die neutronen gebruikt in plaats van fotonen om moleculaire trillingen te onderzoeken."

De mogelijkheid om direct te observeren hoe en waar MFM-300(Al) stikstofdioxide vangt, helpt de onderzoekers bij het valideren van een computermodel van het MOF-gasscheidingsproces. die kunnen helpen bepalen hoe andere materialen kunnen worden geproduceerd en aangepast om een ​​verscheidenheid aan verschillende gassen op te vangen.

"Computermodellering en -simulatie speelden een cruciale rol bij het interpreteren van de neutronenverstrooiingsgegevens door ons te helpen subtiele veranderingen in de trillingsspectra te verbinden met interacties tussen de MFM-300 en gevangen moleculen, " zei Yongqiang Cheng, een ORNL neutronenverstrooiing wetenschapper en co-auteur. "Ons doel is om het model te integreren met experimentele technieken om resultaten te leveren die anders moeilijk te bereiken zijn."

Het opvangen van broeikasgassen en giftige gassen uit de atmosfeer is lange tijd een uitdaging geweest, vanwege hun relatief lage concentraties en de aanwezigheid van vocht in de lucht, wat een negatieve invloed kan hebben op het scheiden van gerichte gasmoleculen van andere gassen. Een andere uitdaging was het vinden van een praktische manier om een ​​opgevangen gas vrij te maken voor langdurige opslag, zoals in ondergrondse uitgeputte oliereservoirs of met zout gevulde rotsformaties. MOF's bieden oplossingen voor veel van deze uitdagingen, daarom zijn ze het onderwerp van recent wetenschappelijk onderzoek.

Het onderzoeksteam omvatte wetenschappers van instellingen in vijf landen, waaronder de Universiteit van Nottingham, Universiteit van Newcastle upon Tyne, Universiteit van Nottingham Ningbo China, Peking Universiteit, het Internationaal Tomografiecentrum SB RAS, Staatsuniversiteit van Novosibirsk, en de Europese Synchrotron-stralingsfaciliteit in Grenoble.

Extra co-auteurs van het artikel, getiteld "Omkeerbare adsorptie van stikstofdioxide binnen een robuust poreus metaal-organisch raamwerk, " omvatten Xue Han, Harry GW Godfried, Lydia Briggs, Andrew J. Davies, Luke L. Daemen, Alena M. Sheveleva, Floriana Tonijn, Eric JL McInnes, Junliang zon, Christina Drathen, Michael W. George, en K. Mark Thomas.