Stikstofdioxide en zwaveldioxide (NO₂ en SO₂ ) zijn giftige gassen die schadelijk zijn voor het milieu en de menselijke gezondheid. Zodra ze de atmosfeer binnenkomen, kunnen ze honderden kilometers afleggen, de lucht vervuilen en zure regen veroorzaken die op zijn beurt gebouwen, bomen en gewassen beschadigt. Blootstelling aan de giftige gassen kan ook leiden tot luchtweginfecties, astma en chronische longziekte.

Om die redenen staan ​​de zogenaamde zure gassen hoog op de lijst van verontreinigende stoffen die het doelwit zijn van de Clean Air Act, die de Environmental Protection Agency verplicht om NO₂ te reguleren en limieten vast te stellen. en SO₂ uitstoot met als doel de luchtkwaliteit te verbeteren en wijdverbreide ziekten te voorkomen.

Wetenschappers ontwikkelen materialen die zure gassen kunnen detecteren en vasthouden, een inspanning van enkele van de toonaangevende innovatieve strategieën om luchtvervuiling te verminderen en klimaatverandering te bestrijden. De aanpak bestaat uit verschillende technologische oplossingen die zijn ontworpen om de lucht te filteren door giftige gassen uit emissies af te vangen of op te vangen. In sommige gevallen kunnen gevangen moleculen ook worden opgeslagen en hergebruikt - bijvoorbeeld koolstofdioxide kan in bepaalde toepassingen worden hergebruikt om fotosynthese en plantengroei te bevorderen.

Materialen die metaalorganische raamwerken of MOF's worden genoemd, kunnen de opslag van zuur en gas naar een hoger niveau tillen, waardoor het een meer haalbare, praktische benadering wordt om de luchtkwaliteit op wereldschaal te verbeteren. MOF's zijn in wezen een microscopisch kleine matrix van metaalatomen die aan elkaar zijn bevestigd door organische moleculen die een herhalend patroon vormen van kleine, onderling verbonden metalen kooien. Ze werken als een spons die moleculen aan het oppervlak kan hechten of opzuigen. MOF's zijn zelfs zo zeer poreus dat de hoeveelheid die in iemands zak zou passen, als hij uitgerekt was, het oppervlak van een heel voetbalveld zou bedekken.

In een recente studie gepubliceerd in het tijdschrift ACS Applied Materials and Interfaces , onderzoekers op zoek naar kandidaat-materiaal om NO₂ . te verhelpen en SO₂ onderzocht een reeks MOF's die gemaakt kunnen worden van de hele familie van zeldzame aardmetalen. Ze gebruikten computersimulaties en een combinatie van neutronen- en röntgenverstrooiingsexperimenten om hen te helpen de optimale omstandigheden te bepalen voor het synthetiseren van de materialen. Tijdens het proces ontdekten ze ook belangrijke details over een interessant defect dat zich vormt in de MOF's waarvan ze zeggen dat het nuttig kan zijn bij het bouwen van apparaten voor het opvangen van emissies of het detecteren van gevaarlijke niveaus van giftige gassen.

"Organische metalen raamwerken zijn echt nieuw in hun flexibiliteit, hun chemie en hoe je hun structuur kunt aanpassen. Als je organische moleculen verwisselt, kun je de structuur afstemmen op verschillende gassen", zegt Susan Henkelis van Sandia National Laboratory, de leider van het onderzoek. auteur. "Zure gassen zijn meestal afkomstig van verbrandingsprocessen, dus dit onderzoek kan nuttig zijn bij het ontwikkelen van apparaten om de uitstoot van grootschalige industriële faciliteiten zoals olieraffinaderijen en op fossiele brandstoffen gebaseerde energiecentrales te helpen beperken."

Het team bestaat uit onderzoekers van de nationale laboratoria Sandia en Oak Ridge (ORNL) van het Department of Energy (DOE) en de University of Tennessee, Knoxville (UTK). De onderzoekers maken deel uit van het Center for Understanding and Control of Acid Gas-Induced Evolution of Materials, of UNCAGE-ME, een programma dat speciaal is ontwikkeld om de interacties tussen zure gassen en vaste materialen te begrijpen. UNCAGE-ME maakt deel uit van een bredere onderzoeksinspanning die wordt ondersteund door DOE's Energy Frontier Research Centre (EFRC)-programma, dat de onderzoekscapaciteiten van universiteiten en nationale laboratoria samenbrengt om inzichten op atomaire schaal te bieden bij het aanpakken van enkele van 's werelds grootste energie-uitdagingen die kunnen alleen worden bereikt door grote samenwerkingen.

"Het fundamentele wetenschappelijke doel van dit werk was om te begrijpen hoe de chemie en het syntheseproces deze defecten veroorzaken, omdat we willen weten hoe de defecten kunnen worden gecontroleerd en wat hun invloed is op de adsorptie van zure gassen," zei Peter Metz, een postdoctoraal onderzoeker aan de UTK die tijdens het onderzoek in Neutron Sciences bij ORNL werkte. "Om dat te doen, moeten we begrijpen hoe de atomaire bindingen in de MOF's worden gevormd en hoe de atomen zijn gerangschikt."

Idealiter vormen de kooien in elke gesynthetiseerde MOF een kubus. Elke hoek bevat een cluster van zes zeldzame-aardmetaalionen met een ander cluster in het midden van de kubus. Elk paar metaalionen in het cluster is verbonden met een ander paar in een ander cluster door een enkele link of linkermolecuul.

Maar soms treedt er een defect op, vooral in MOF's gemaakt van europium-ionen, waarbij de linker knikt en het zeldzame-aarde-ion blootlegt, waardoor de kans groter wordt dat een verontreinigend molecuul vast komt te zitten in de structuur.

Om erachter te komen waarom dit gebeurt, gebruikten de onderzoekers een combinatie van neutronen- en röntgenverstrooiingsexperimenten om de atomaire structuren van de materialen in kaart te brengen.

Ze gebruikten röntgenstralen om de zware metalen elementen te vinden, die een overzicht gaven van de algehele structuur. En om beter te begrijpen hoe de organische moleculen zijn gerangschikt, bombardeerden ze de materialen met neutronen met behulp van het POWGEN-instrument van ORNL's Spallation Neutron Source (SNS), wat hen hielp de posities te volgen van de waterstof-, koolstof- en zuurstofatomen die de moleculaire vormen bindingen tussen de metaalionenclusters.

Uit de experimenten kon het team vaststellen dat de materialen met de defecten zich daadwerkelijk sneller vormden dan hun defectvrije tegenhangers. Ze ontdekten ook dat de defecten opzettelijk konden worden veroorzaakt door de temperaturen en de tijd die nodig is om de kristallijne materialen te laten groeien, aan te passen.

Het team gebruikte vervolgens de structurele gegevens die uit de experimenten waren verkregen om computersimulaties uit te voeren om te zien hoe elk van de materialen - met en zonder de defecten - interageerde met de giftige gassen NO₂ en SO₂ .

"Hoewel deze nieuwe inzichten betrekking hebben op de fundamentele onderzoekskant, kunnen ze later een grote impact hebben", zegt Sandia's Tina Nenoff, de corresponderende auteur van het onderzoek. "We hebben nieuwe informatie geleerd over hoe deze materialen zich vormen, die we kunnen gebruiken om MOF's met meer specificiteit te besturen en te ontwerpen. Bovendien hebben we een alomvattende benadering ontwikkeld voor het evalueren van grote series MOF's, wat zal helpen het tempo van het vinden van nieuwe kandidaatmaterialen te versnellen en ze te ontwikkelen in bruikbare technologieën." + Verder verkennen

Chemische ingenieurs gebruiken neurale netwerken om de eigenschappen van metaal-organische raamwerken te ontdekken