Een internationaal team van wetenschappers, geleid door de Universiteit van Manchester, heeft een metaal-organisch raamwerk ontwikkeld, of MOF, materiaal dat zorgt voor een selectieve, volledig omkeerbaar en herhaalbaar vermogen om een ​​giftige luchtverontreinigende stof af te vangen, stikstofdioxide, geproduceerd door verbranding van diesel en andere fossiele brandstoffen.

Het materiaal heeft dan alleen water en lucht nodig om het opgevangen gas om te zetten in salpeterzuur voor industrieel gebruik. Het mechanisme voor de recordbrekende gasopname door de MOF, gekenmerkt door onderzoekers die neutronenverstrooiing gebruiken in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, zou kunnen leiden tot technologieën voor de beheersing en sanering van luchtverontreiniging die de verontreinigende stof op een kosteneffectieve manier uit de lucht verwijderen en omzetten in salpeterzuur voor gebruik bij de productie van kunstmest, raket drijfgas, nylon en andere producten.

Zoals gemeld in Natuurchemie , het materiaal, aangeduid als MFM-520, kan atmosferische 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 uit de lucht - een proces dat ook het stikstofdioxide omzet in salpeterzuur.

"Voor zover we weten, dit is de eerste MOF die zowel een giftige, gasvormige luchtverontreinigende stof in een nuttige industriële grondstof, " zei Sihai Yang, een van de hoofdauteurs van de studie en een hoofddocent aan de afdeling Scheikunde van Manchester. "Het is ook interessant dat de hoogste snelheid van NO2-opname door dit materiaal plaatsvindt bij ongeveer 113 graden Fahrenheit (45 graden Celsius), dat is ongeveer de temperatuur van uitlaatgassen van auto's."

Martin Schröder, een hoofdauteur van de studie, hoogleraar scheikunde en vice-president van de Universiteit van Manchester, 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. Wat deze waarnemingen mogelijk maakte, is de VISION-trillingsspectrometer bij ORNL's Spallation Neutron Source, die de hoogste gevoeligheid en resolutie in zijn soort in de wereld heeft."

Het vermogen van neutronen om vast metaal binnen te dringen om de interacties tussen de stikstofdioxidemoleculen en MFM-520 te onderzoeken, helpt de onderzoekers een computermodel van MOF-gasscheidings- en conversieprocessen te valideren. Een dergelijk model zou kunnen helpen voorspellen hoe andere materialen kunnen worden geproduceerd en aangepast om een ​​verscheidenheid aan verschillende gassen op te vangen.

"Neutronenvibratiespectroscopie is een uniek hulpmiddel om adsorptie- en reactiemechanismen en gast-gastheerinteracties op moleculair niveau te bestuderen, vooral in combinatie met computersimulatie, " zei Yongqiang Cheng, een ORNL neutronenverstrooiing wetenschapper en co-auteur. "De interactie tussen de stikstofdioxidemoleculen en MOF veroorzaakt extreem kleine veranderingen in hun trillingsgedrag. Dergelijke veranderingen zijn alleen te herkennen als het computermodel ze nauwkeurig voorspelt."

"De karakterisering van het mechanisme dat verantwoordelijk is voor de hoge, snelle opname van NO2 zal toekomstige ontwerpen van verbeterde materialen informeren om luchtverontreinigende stoffen op te vangen, " zei Jiangnan Li, eerste auteur en doctoraalstudent aan de Universiteit van Manchester. "De nabehandeling van het opgevangen stikstofdioxide vermijdt de noodzaak om het gas op te slaan of te verwerken en biedt toekomstige richting voor schone luchttechnologieën."

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 met en vaak een negatieve invloed kan hebben op de scheiding van gerichte gasmoleculen van andere gassen. 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 MFM-520 MOF-materiaal biedt oplossingen voor veel van deze uitdagingen.

Extra co-auteurs van het papier, getiteld "Afvang van stikstofdioxide en omzetting in salpeterzuur in een poreus metaal-organisch raamwerk, " omvatten Xue Han, Xinran Zhang, Alena M. Sheveleva, Floriana Tonijn, Eric JL Mcinnes, Laura J. McCormick McPherson, Simon J. Speen en Luke L. Daemen.