Anjonstrukturer av CH 2 Cl 2 (gäst)insatt V12 (vänster) och gästfri V12 visas. Orange och röda fyrkantiga pyramider representerar VO 5 enheter med sina baser riktade mot skålens mitt, och det inverterade VO 5 enhet. Gröna och svarta sfärer representerar Cl och C, respektive. Väteatomer av CH 2 Cl 2 utelämnas för tydlighetens skull. Kredit:Kanazawa University
Hur skiljer man koldioxid från kolmonoxid? Enkel, uppvisat av en ny studie från Kanazawa University, är att använda en skål med vanadin. Mer exakt, en hålighet, sfäriska kluster av vanadatmolekyler kan skilja mellan CO och CO 2 , tillåter potentiell användning i CO 2 lagring och fångst.
I molekylär skala, små föremål får plats i större, precis som i vardagen. De resulterande arrangemangen, känd som värd-gästinteraktioner, stabiliseras av icke-kovalenta krafter som elektrostatik och vätebindningar. Varje värd tar gärna in vissa molekyler, samtidigt som man stänger ute andra, beroende på storleken på dess entré och hur mycket innerutrymme den kan erbjuda gästen.
En sådan värd är V 12 — en grov sfär gjord av 12 atomer av övergångsmetallen vanadin, sammankopplade genom 32 syreatomer. Den skålliknande strukturen har en öppning i ena änden, med en bredd på 0,44 nanometer, perfekt för att släppa in rätt molekyl för att nästla sig inuti kaviteten.
"V 12 tar emot en rad gäster på skalan av små organiska föreningar, säger Yuji Kikukawa, medförfattare till Kanazawa-studien i Angewandte Chemie . "Faktiskt, det är ganska svårt att isolera ett tomt V 12 av sig själv. Medan värden stabiliserar sin gäst, så gästen ger tillbaka tjänsten - om vi tar bort gästen, värden ersätter den snabbt med en annan molekyl."
IR-spektra för CH 2 Cl 2 -insatt V12 och gästfri V12 visas i svarta och röda spektra, respektive. Topppositionen i det markerade området för gästinsatt V12 och gästfri V12 är annorlunda på grund av VO 5 enhetsinversion. Spektra för gästfri V12 registreras under atmosfärstryck av CO 2 (blå) och CO (grön) vid 25 ºC. Från toppläget, CO 2 kan interageras med V12-skålen inuti, medan CO inte visar någon interaktion med skålen inuti. Kredit:Kanazawa University
Varje vanadinatom i V 12 bildar en fyrkantig pyramid med fem syreämnen. Syrgaserna i varje VO 5 peka utåt, medan den positiva laddningen från vanadin fyller den inre kaviteten, hjälper till att stabilisera elektronrika (eller anjoniska) gäster. Dock, Kanazawa-teamet skapade ett gästfritt V 12 för första gången, genom att använda ett lösningsmedel – aceton – vars molekyler är för skrymmande för att passa genom ingången.
För att kompensera den försvunna gästen, det tomma V 12 skålen gjorde något oväntat. VO 5 enhet i botten fälld inåt, som ett paraply som vänder sig i hård vind. Nu, värdhåligheten fylldes av det negativa terminala syret från den enda "upp och ner" VO 5 . Detta atomskifte för att rymma en ny struktur, kallas en polytopal omarrangemang, hade aldrig setts i metalloxidkluster. Strukturtransformationen kunde övervakas med infraröd spektroskopi.
"Vi tog sedan den tomma V:n 12 och utforskade vilka gäster vi kunde sätta tillbaka i skålen, " säger författarna. "Kväve, metan och kolmonoxid avvisades alla, men koldioxid togs lätt upp. Detta föreslår omedelbart ett sätt att separera CO 2 från andra gaser."
Faktiskt, V 12 och CO 2 visade sig vara så perfekt passform att CO 2 skulle kunna införas även vid lågt atmosfärstryck. V 12 kan därför vara en idealisk lösning i CO 2 fånga för att bekämpa klimatförändringar, och även i CO 2 lagring för den framväxande tekniken för artificiell fotosyntes.
