Kolmonoxid är ett lömskt gift eftersom det älskar järnet i vårt blod; det trycker ut syre ur järnbaserat hemoglobin, leder till smärtsam kvävning.
Denna affinitet för järn kommer väl till pass i ett nyskapat material som kan absorbera kolmonoxid mycket bättre än andra material, med potentiella tillämpningar i industriella processer som syngasproduktion, där CO är en nyckelspelare, och reaktioner där CO är en oönskad förorening.
Det nya materialet är ett metallorganiskt ramverk - ett otroligt poröst material med en växande lista av applikationer - som innehåller kedjor av järnatomer anpassade för att attrahera CO och utesluta andra kemiska föreningar. När CO binder till en järnatom i MOF, det förändrar miljön för närliggande järnatomer för att göra dem ännu mer attraktiva för CO, skapa en kedjereaktion.
"Vi ser denna kooperativa adsorptionseffekt där bindning på en plats aktiverar de närliggande platserna, vilket innebär att man helt plötsligt går från väldigt lite adsorption till att i huvudsak mätta materialet med CO, " sa seniorforskaren Jeffrey Long, en UC Berkeley professor i kemi och fakultetsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory.
CO-bindningen vänder spinntillståndet av järn, därav Longs terminologi för materialet:spin-transition MOFs.
Två år sedan, Long råkade råka över den första av den här typen av kooperativ adsorbent när han skapade en MOF som adsorberade koldioxid mycket bättre än andra material.
"Koldioxidavskiljningsmaterialet som vi hade tur med 2015 var ett första material i sitt slag för samverkande absorption, ", sa han. "Nu har vi visat att kooperativa MOF-adsorbenter kan byggas genom design för att rikta in sig på andra viktiga industriellt relevanta molekyler för separation. Det är en fundamental ny mekanism där, genom att justera liganderna bundna till järnet, du kanske kan få omättade kolväten som acetylen, eten och propen för att också binda."
Forskningen, publiceras online 11 september före publicering i tidskriften Natur , fick stöd av Center for Gas Separations Relevant to Clean Energy Technologies, ett Energy Frontier Research Center som drivs gemensamt av UC Berkeley och Berkeley Lab och finansieras av U.S. Department of Energy.
Återvinner istället för att bränna kolmonoxid
CO används i en mängd olika industriella processer, inklusive som en komponent i syntesgas - en blandning av CO och väte som används för att tillverka syntetiskt bränsle eller för att syntetisera andra kemikalier. Dessa MOF kan fungera som reservoarer för CO för att upprätthålla det korrekta förhållandet mellan CO och väte för en viss reaktion.
I ren form, CO är också viktigt vid järn- och stålproduktion. Long förutspår att den nya MOF kan användas för att extrahera CO från biprodukter av blandad gas från sådan tillverkning för att tillhandahålla återvunnen CO för återanvändning. I de flesta fall idag, dessa blandade gaser förbränns, Long sa, står för en stor del av de växthusgaser som produceras av stålindustrin.
Sådana MOF kan också hjälpa till att suga upp CO i reaktioner där CO förgiftar katalysatorn, såsom vid framställning av ammoniak för gödningsmedel eller polymerer som polyeten och polypropen, och i vätebränsleceller.
"Det finns många ställen där man vill separera CO tillräckligt i industrin, och dessa spin transition MOFs kan potentiellt ha en roll där, " sa Long.
I praktiken, MOF:erna skulle adsorbera CO vid rumstemperatur, värms sedan upp något för att driva bort CO, förbereda MOF för återanvändning. Dessa spin-transition MOFs kan justeras exakt så att endast en liten temperaturhöjning - från 20 C till 60 C, till exempel – släpper ut CO, kräver betydligt mindre energi än andra infångnings- eller lagringstekniker, såsom kryogen destillation.
Som ett exempel, de jämförde sin spin-transition MOF med en reklamfilm, vätskeabsorberande process för att återvinna CO, som kallas COSORB. Inledande beräkningar visade att MOF bara kräver 32 procent av energin för att fånga och återanvända CO som COSORB-processen.
