Металлоорганический каркасный материал требует только воды и воздуха для преобразования захваченного газа в азотную кислоту для промышленного использования, - пишет eurekalert.org со ссылкой на Nature Chemistry.
Международная группа ученых во главе с Манчестерским университетом разработала металлоорганический каркас - материал, который обеспечивает селективную, полностью обратимую и воспроизводимую способность улавливать токсичный загрязнитель воздуха - диоксид азота, образующийся при сжигании дизельного топлива и других видов ископаемого топлива.
Материал требует только воды и воздуха для преобразования захваченного газа в азотную кислоту для промышленного использования. Механизм поглощения газа может привести к развитию технологий контроля и восстановления загрязнения воздуха, которые экономически эффективно удаляют загрязнитель из воздуха и преобразуют его в азотную кислоту для использования в производстве удобрений, ракетного топлива, нейлона и других продуктов.
Материал, обозначенный как MFM-520, может улавливать атмосферный диоксид азота при атмосферном давлении и температуре - даже при низких концентрациях и во время потока - в присутствии влаги, диоксида серы и диоксида углерода. Несмотря на высокую реактивную природу загрязняющего вещества, MFM-520 доказал свою способность многократно полностью регенерироваться путем дегазации или обработки водой из воздуха - процесс, который также превращает диоксид азота в азотную кислоту.
«Насколько нам известно, это первый материал, который улавливает и превращает токсичный газообразный загрязнитель воздуха в полезный промышленный товар, - сказал Сихай Янг - один из ведущих авторов исследования и старший преподаватель химического факультета Манчестера. - Интересно также, что самый высокий уровень поглощения NO2 этим материалом наблюдается при температуре около 113 градусов по Фаренгейту (45 градусов по Цельсию), что примерно соответствует температуре выхлопных газов автомобилей».
Мартин Шредер - ведущий автор исследования, профессор химии и вице-президент Манчестерского университета - сказал: «Мировой рынок азотной кислоты в 2016 году составил 2,5 миллиарда долларов США, поэтому у производителей этой категории есть большой потенциал. Технология металлоорганического каркасного материала позволяет компенсировать их затраты от промышленного получения азотной кислоты. Тем более, что единственными необходимыми добавками являются вода и воздух».
В рамках исследования ученые использовали нейтронную спектроскопию и вычислительные методы, чтобы точно определить, как MFM-520 захватывает молекулы диоксида азота.
«Этот проект является отличным примером использования нейтронной физики для изучения структуры и активности молекул внутри пористых материалов, - сказал Тимми Рамирес-Куэста, соавтор и ученый в области химии и катализа в Управлении нейтронных наук Ок-Риджской национальной лаборатории. - Благодаря проникающей способности нейтронов мы отслеживали, как молекулы диоксида азота располагаются и перемещаются внутри пористого материала, и изучали влияние, которое они оказали на всю структуру MOF-520. Провести эти наблюдения позволил вибрационный спектрометр VISION в ORNL's Spallation Neutron Source, который обладает самой высокой в мире чувствительностью и разрешением».
Способность нейтронов проникать в твердый металл, чтобы исследовать взаимодействия между молекулами диоксида азота и MFM-520, помогает исследователям проверять компьютерную модель процессов разделения и конверсии газа MOF-520. Такая модель может помочь предсказать, как производить и адаптировать другие материалы для захвата различных газов.
«Нейтронно-колебательная спектроскопия является уникальным инструментом для изучения механизмов адсорбции и реакций и взаимодействий гость-хозяин на молекулярном уровне, особенно в сочетании с компьютерным моделированием, - сказал ученый Юнцян Чен. - Взаимодействие между молекулами диоксида азота и MOF-520 вызывает чрезвычайно небольшие изменения в их колебательном поведении. Такие изменения могут быть распознаны только тогда, когда компьютерная модель точно их предсказывает».
«Характеристика механизма, ответственного за высокое и быстрое поглощение NO2, послужит основой для будущих разработок улучшенных материалов для улавливания загрязнителей воздуха, - сказал Цзяннань Ли, первый автор и докторант Манчестерского университета. - Последующая обработка захваченного диоксида азота устраняет необходимость в секвестрации или переработке газа и обеспечивает будущее направление развития технологий очищения воздуха».
Улавливание парниковых и токсичных газов из атмосферы было проблемой из-за их относительно низких концентраций, а также потому, что вода в воздухе часто может отрицательно влиять на отделение целевых молекул газа от других газов. Другая проблема заключалась в поиске практического способа фильтрации и преобразования захваченных газов в полезные продукты с добавленной стоимостью. Материал MFM-520 MOF предлагает решение многих из этих проблем.
[Фото: eurekalert.org]
