Een giftige verontreinigende stof die wordt geproduceerd door de verbranding van fossiele brandstoffen, kan worden opgevangen uit de uitlaatgasstroom en worden omgezet in bruikbare industriële chemicaliën met alleen water en lucht dankzij een nieuw geavanceerd materiaal dat is ontwikkeld door een internationaal team van wetenschappers.

Nieuw onderzoek onder leiding van de Universiteit van Manchester, heeft een metaal-organisch raamwerk (MOF) materiaal ontwikkeld dat zorgt voor een selectieve, volledig omkeerbaar en herhaalbaar vermogen om stikstofdioxide (NO ₂ ), een giftige luchtverontreinigende stof die met name wordt geproduceerd door het gebruik van diesel en biobrandstof. De nee ₂ kan dan gemakkelijk worden omgezet in salpeterzuur, een miljardenindustrie met toepassingen zoals, landbouwmest voor gewassen; raketstuwstof en nylon.

MOF's zijn kleine driedimensionale structuren die poreus zijn en gassen binnenin kunnen vasthouden, gedragen als kooien. De interne lege ruimtes in MOF's kunnen enorm zijn vanwege hun grootte, slechts één gram materiaal kan een oppervlakte hebben die gelijk is aan die van een voetbalveld.

Het zeer efficiënte mechanisme in deze nieuwe MOF werd gekarakteriseerd door onderzoekers die neutronenverstrooiing en synchrotron-röntgendiffractie gebruikten bij het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy en het Berkeley National Laboratory, respectievelijk. Het team gebruikte ook de National Service for Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy in Manchester om het mechanisme van de adsorptie van NO te bestuderen. ₂ in MFM-520. De technologie kan leiden tot beheersing van de luchtverontreiniging en kan helpen de negatieve impact van stikstofdioxide op het milieu te verhelpen.

Als in Natuurchemie , het materiaal, genaamd MFM-520, kan stikstofdioxide opvangen bij omgevingsdrukken en temperaturen - zelfs bij lage concentraties en tijdens stroming - in aanwezigheid van vocht, zwaveldioxide en koolstofdioxide. Ondanks het zeer reactieve karakter van de verontreinigende stof, MFM-520 bleek in staat meerdere keren volledig te worden geregenereerd door te ontgassen of door behandeling met water in lucht - een proces dat ook het stikstofdioxide omzet in salpeterzuur.

"Dit is de eerste MOF die zowel een giftige, gasvormige luchtverontreinigende stof in een bruikbare industriële grondstof", zei Dr. Sihai Yang, een hoofdauteur en een hoofddocent aan de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Manchester. "Het is ook interessant dat het hoogste percentage NO ₂ opname door deze MOF vindt plaats bij ongeveer 45 graden Celsius, dat is ongeveer de temperatuur van uitlaatgassen van auto's."

Professor en Vice-President en Decaan van de Faculty of Science and Engineering aan de Universiteit van Manchester Martin Schröder, een hoofdauteur van de studie, zei:"De wereldwijde markt voor salpeterzuur bedroeg in 2016 $ 2,5 miljard, dus er is veel potentieel voor fabrikanten van deze MOF-technologie om hun kosten terug te verdienen en te profiteren van de resulterende salpeterzuurproductie. Vooral omdat de enige benodigde toevoegingen water en lucht zijn."

Als onderdeel van het onderzoek, de wetenschappers gebruikten neutronenspectroscopie en computertechnieken bij ORNL om precies te karakteriseren hoe MFM-520 stikstofdioxidemoleculen vangt.

"Dit project is een uitstekend voorbeeld van het gebruik van neutronenwetenschap om de structuur en activiteit van moleculen in poreuze materialen te bestuderen, " zei Timmy Ramirez-Cuesta, co-auteur en coördinator voor het chemie- en katalyse-initiatief bij het directoraat Neutronenwetenschappen van ORNL. "Dankzij het doordringende vermogen van neutronen, we volgden hoe de stikstofdioxidemoleculen zich rangschikten en bewogen in de poriën van het materiaal, en bestudeerden de effecten die ze hadden op de hele MOF-structuur."

"De karakterisering van het mechanisme dat verantwoordelijk is voor de hoge, snelle opname van NO ₂ zal toekomstige ontwerpen van verbeterde materialen informeren om luchtverontreinigende stoffen op te vangen." zei Jiangnan Li, de eerste auteur en een Ph.D. student aan de Universiteit van Manchester.

Vroeger, het opvangen van broeikasgassen en giftige gassen uit de atmosfeer was een uitdaging vanwege hun relatief lage concentraties en omdat water in de lucht concurreert en vaak de scheiding van gerichte gasmoleculen van andere gassen negatief kan beïnvloeden. Een ander probleem was het vinden van een praktische manier om opgevangen gassen uit te filteren en om te zetten in bruikbare, producten met toegevoegde waarde. Het materiaal MFM-520 biedt oplossingen voor veel van deze uitdagingen.