Förbränning av fossila bränslen som kol och naturgas släpper ut kol i atmosfären som CO2 medan produktionen av metanol och andra värdefulla bränslen och kemikalier kräver tillförsel av kol. Det finns för närvarande inget ekonomiskt eller energieffektivt sätt att samla upp CO2 från atmosfären och använda den för att producera kolbaserade kemikalier, men forskare vid University of Pittsburgh Swanson School of Engineering har precis tagit ett viktigt steg i den riktningen.

Teamet arbetade med en klass av nanomaterial som kallas metallorganiska ramverk eller "MOFs, " som kan användas för att ta ut koldioxid ur atmosfären och kombinera den med väteatomer för att omvandla den till värdefulla kemikalier och bränslen. Karl Johnson, William Kepler Whiteford professor vid Swanson Schools avdelning för kemi- och petroleumteknik, ledde forskargruppen som huvudutredare.

"Vårt slutmål är att hitta en lågenergi, lågkostnads ​​MOF som kan separera koldioxid från en blandning av gaser och förbereda den för att reagera med väte, " säger Dr. Johnson. "Vi hittade en MOF som kunde böja CO2-molekylerna något, tar dem till ett tillstånd där de lättare reagerar med väte."

Johnson Research Group publicerade sina resultat i tidskriften Royal Society of Chemistry (RSC). Catalysis Science &Technology (DOI:10.1039/c8cy01018h). Tidskriften visade deras arbete på omslaget, illustrerar processen för koldioxid- och vätemolekyler som kommer in i MOF och ut som CH2O2 eller myrsyra - en kemisk prekursor till metanol. För att denna process ska inträffa, molekylerna måste övervinna en krävande energitröskel som kallas hydreringsbarriären.

Dr Johnson förklarar, "Hydreringsbarriären är den energi som behövs för att lägga till två H-atomer till CO2, som omvandlar molekylerna till myrsyra. Med andra ord, det är den energi som behövs för att få ihop H-atomerna och CO2-molekylerna så att de kan bilda den nya föreningen. I vårt tidigare arbete har vi kunnat aktivera H2 genom att dela två H-atomer, men vi har inte kunnat aktivera CO2 förrän nu."

Nyckeln till att minska hydreringsbarriären var att identifiera en MOF som kan föraktivera koldioxid. Föraktivering är i grunden att förbereda molekylerna för den kemiska reaktionen genom att sätta dem i rätt geometri, rätt position, eller rätt elektroniskt tillstånd. MOF som de modellerade i sitt arbete uppnår föraktivering av CO2 genom att sätta den i en lätt böjd geometri som kan acceptera de inkommande väteatomerna med en lägre barriär.

En annan nyckelfunktion i denna nya MOF är att den selektivt reagerar med vätemolekyler över koldioxid, så att de aktiva sajterna inte blockeras av CO2. "Vi designade en MOF som har begränsat utrymme runt sina bindningsställen så att det inte finns tillräckligt med utrymme för att binda CO2, men det finns fortfarande gott om utrymme att binda H2, eftersom det är så mycket mindre. Vår design säkerställer att CO2 inte binder till MOF utan istället är fri att reagera med H-molekylerna som redan finns i ramverket, " säger Dr Johnson.

Dr. Johnson tror att perfektion av ett enda material som både kan fånga och omvandla CO2 skulle vara ekonomiskt lönsamt och skulle minska nettomängden CO2 i atmosfären. "Du kan fånga upp CO2 från rökgaser vid kraftverk eller direkt från atmosfären, " säger han. "Denna forskning begränsar vårt sökande efter ett mycket sällsynt material med förmågan att förvandla en hypotetisk teknologi till en verklig fördel för världen."