Leds av University of Manchester, ett internationellt team av forskare har utvecklat ett metall-organiskt rammaterial (MOF) som uppvisar en selektiv, fullständigt reversibel och repeterbar förmåga att avlägsna kvävedioxidgas från atmosfären under omgivande förhållanden. Denna upptäckt, bekräftat av forskare som använder neutronspridning vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, kan leda till luftfiltreringsteknologier som kostnadseffektivt fångar upp och omvandlar stora mängder målgaser, inklusive koldioxid och andra växthusgaser, för att underlätta deras långsiktiga lagring för att hjälpa till att mildra luftföroreningar och global uppvärmning.

Som rapporterats i Naturmaterial , materialet betecknat som MFM-300(Al) uppvisade den första reversibla, selektiv infångning av kvävedioxid vid omgivande tryck och temperaturer – vid låga koncentrationer – i närvaro av fukt, svaveldioxid och koldioxid. Trots den mycket reaktiva naturen hos kvävedioxid, MFM-300(Al)-materialet visade sig vara extremt robust, demonstrerar förmågan att återskapas helt, eller avgasad, flera gånger utan förlust av kristallinitet eller porositet.

"Detta material är det första exemplet på ett metallorganiskt ramverk som uppvisar en mycket selektiv och helt reversibel förmåga för upprepad separation av kvävedioxid från luften, även i närvaro av vatten, sa Sihai Yang, en av studiens huvudförfattare och en föreläsare i oorganisk kemi vid Manchester's School of Chemistry.

Professor Martin Schröder, en annan huvudförfattare från Manchester Chemistry, kommenterade, "Andra studier av olika porösa material fann ofta att prestanda försämrades i efterföljande cykler av kvävedioxiden, eller att regenereringsprocessen var för svår och kostsam."

Som en del av forskningen, forskarna använde neutronspridningstekniker vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory för att bekräfta och exakt karakterisera hur MFM-300(Al) fångar upp kvävedioxidmolekyler.

"Neutroner kan lätt penetrera täta material och de är känsliga för lättare element, såsom väteatomerna inuti MFM, vilket gjorde det möjligt för oss att observera hur kvävedioxidmolekylerna är inneslutna i porerna i nanostorlek, " sa Timmy Ramirez-Cuesta, en medförfattare och koordinator för kemi- och katalysinitiativet vid ORNL:s direktorat för neutronvetenskap. "Vi drog fördel av den extremt höga känsligheten och kvantitativa data som tillhandahålls av VISION vibrationsspektroskopiinstrumentet på ORNL:s 16-B strållinje vid Spallation Neutron Source, som använder neutroner istället för fotoner för att undersöka molekylära vibrationer."

Förmågan att direkt observera hur och var MFM-300(Al) fångar upp kvävedioxid hjälper forskarna att validera en datormodell av MOF-gasseparationsprocessen, som kan hjälpa till att identifiera hur man producerar och skräddarsyr andra material för att fånga upp en mängd olika gaser.

"Datormodellering och simulering spelade avgörande roller för att tolka neutronspridningsdata genom att hjälpa oss att koppla subtila förändringar i vibrationsspektra till interaktioner mellan MFM-300 och fångade molekyler, " sa Yongqiang Cheng, en ORNL neutronspridningsforskare och medförfattare. "Vårt mål är att integrera modellen med experimentella tekniker för att leverera resultat som annars är svåra att uppnå."

Att fånga upp växthusgaser och giftiga gaser från atmosfären har länge varit en utmaning, på grund av deras relativt låga koncentrationer och närvaron av fukt i luften, vilket kan negativt påverka separeringen av målgasmolekyler från andra gaser. En annan utmaning har varit att hitta ett praktiskt sätt att frigöra en infångad gas för långvarig sekvestrering, såsom i underjordiska utarmade oljereservoarer eller saltvattenfyllda bergformationer. MOF erbjuder lösningar på många av dessa utmaningar, vilket är anledningen till att de är föremål för nyare vetenskapliga undersökningar.

Forskargruppen involverade forskare från institutioner i fem länder, inklusive University of Nottingham, University of Newcastle upon Tyne, University of Nottingham Ningbo Kina, Peking University, det internationella tomograficentret SB RAS, Novosibirsk State University, och European Synchrotron Radiation Facility i Grenoble.

Ytterligare medförfattare till tidningen, med titeln "Reversibel adsorption av kvävedioxid inom ett robust poröst metall-organiskt ramverk, " inkluderar Xue Han, Harry G.W. Godfrey, Lydia Briggs, Andrew J. Davies, Luke L. Daemen, Alena M. Sheveleva, Floriana tonfisk, Eric J.L. McInnes, Junliang Sun, Christina Drathen, Michael W. George, och K. Mark Thomas.