En giftig förorening som produceras genom förbränning av fossila bränslen kan fångas upp från avgasströmmen och omvandlas till användbara industrikemikalier med enbart vatten och luft tack vare ett nytt avancerat material som utvecklats av ett internationellt team av forskare.

Ny forskning ledd av University of Manchester, har utvecklat ett metallorganiskt ramverk (MOF) -material som ger ett selektivt, fullt reversibel och repeterbar förmåga att fånga upp kvävedioxid (NO ₂ ), en giftig luftförorening som produceras särskilt av diesel och biobränsleanvändning. Nejet ₂ kan sedan lätt omvandlas till salpetersyra, en mångmiljardindustri med användningsområden inklusive, jordbruksgödsel för grödor; raketdrivmedel och nylon.

MOF är små tredimensionella strukturer som är porösa och kan fånga in gaser inuti, agerar som burar. De interna tomma utrymmena i MOF:er kan vara stora för sin storlek, bara ett gram material kan ha en yta som motsvarar en fotbollsplan.

Den mycket effektiva mekanismen i denna nya MOF kännetecknades av forskare som använde neutronspridning och synkrotronröntgendiffraktion vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory och Berkeley National Laboratory, respektive. Teamet använde också National Service for Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy i Manchester för att studera mekanismen för adsorption av NO ₂ i MFM-520. Tekniken kan leda till luftföroreningskontroll och hjälpa till att avhjälpa den negativa påverkan kvävedioxid har på miljön.

Som i Naturkemi , Materialet, heter MFM-520, kan fånga upp kvävedioxid vid omgivande tryck och temperaturer – även vid låga koncentrationer och under flöde – i närvaro av fukt, svaveldioxid och koldioxid. Trots föroreningens mycket reaktiva natur, MFM-520 visade sig kunna regenereras helt flera gånger genom avgasning eller genom behandling med vatten i luft - en process som också omvandlar kvävedioxiden till salpetersyra.

"Detta är den första MOF som både fångar och omvandlar en giftig, gasformig luftförorening till en användbar industrivara." sa Dr. Sihai Yang, en huvudförfattare och en universitetslektor vid University of Manchesters Department of Chemistry. "Det är också intressant att den högsta andelen NO ₂ upptag av denna MOF sker vid cirka 45 grader Celsius, som handlar om temperaturen på bilavgaser."

Professor och vicepresident och dekanus vid fakulteten för naturvetenskap och teknik vid University of Manchester Martin Schröder, en huvudförfattare till studien, sa:"Den globala marknaden för salpetersyra 2016 var 2,5 miljarder USD, så det finns en stor potential för tillverkare av denna MOF-teknik att få tillbaka sina kostnader och dra nytta av den resulterande salpetersyraproduktionen. Speciellt eftersom de enda tillsatserna som krävs är vatten och luft. "

Som en del av forskningen, forskarna använde neutronspektroskopi och beräkningstekniker vid ORNL för att exakt karaktärisera hur MFM-520 fångar kvävedioxidmolekyler.

"Detta projekt är ett utmärkt exempel på att använda neutronvetenskap för att studera strukturen och aktiviteten hos molekyler inuti porösa material, " sa Timmy Ramirez-Cuesta, medförfattare och koordinator för kemi- och katalysinitiativet vid ORNL:s direktorat för neutronvetenskap. "Tack vare neutronernas penetrerande kraft, vi spårade hur kvävedioxidmolekylerna arrangerade och rörde sig inuti materialets porer, och studerade effekterna de hade på hela MOF -strukturen. "

"Karakteriseringen av den mekanism som är ansvarig för den höga, snabbt upptag av NO ₂ kommer att informera framtida design av förbättrade material för att fånga upp luftföroreningar." sa Jiangnan Li, den första författaren och en doktorsexamen student vid University of Manchester.

Förr, att fånga upp växthusgaser och giftiga gaser från atmosfären var en utmaning på grund av deras relativt låga koncentrationer och eftersom vatten i luften konkurrerar och kan ofta negativt påverka separationen av målgasmolekyler från andra gaser. En annan fråga var att hitta ett praktiskt sätt att filtrera bort och omvandla fångade gaser till användbara, värdeskapande produkter. MFM-520-materialet erbjuder lösningar på många av dessa utmaningar.