Kredit:Oak Ridge National Laboratory
Kvävedioxid och svaveldioxid (NO2 och SO2 ) är giftiga gaser som är skadliga för miljön och människors hälsa. När de väl kommer in i atmosfären kan de resa hundratals kilometer, förorena luften och orsaka surt regn som i sin tur skadar byggnader, träd och grödor. Exponering för de giftiga gaserna kan också leda till luftvägsinfektioner, astma och kronisk lungsjukdom.
Av dessa skäl står de så kallade sura gaserna högt upp på listan över föroreningar som riktas till Clean Air Act, som kräver att Naturvårdsverket reglerar och sätter gränser för NO2 och SO2 utsläpp med målet att förbättra luftkvaliteten och förebygga utbredda sjukdomar.
Forskare utvecklar material som kan upptäcka och fånga sura gaser, ett försök bland några av de ledande innovativa strategierna för att mildra luftföroreningar och bekämpa klimatförändringar. Tillvägagångssättet består av olika tekniska lösningar utformade för att filtrera luften genom att fånga upp eller fånga in giftiga gaser från utsläpp. I vissa fall kan infångade molekyler också lagras och återanvändas – koldioxid kan till exempel återanvändas i vissa tillämpningar för att främja fotosyntes och växttillväxt.
Material som kallas metallorganiska ramverk, eller MOFs, kan ta syre-gas-bindning till nästa nivå, vilket gör det till en mer lönsam, praktisk metod för att förbättra luftkvaliteten på en global skala. MOFs är i huvudsak en mikroskopisk matris av metallatomer fästa vid varandra av organiska molekyler som bildar ett upprepande mönster av små, sammankopplade metallburar. De fungerar som en svamp som kan fästa, eller suga upp, molekyler på dess yta. Faktum är att MOF:er är så mycket porösa att mängden som skulle få plats i någons ficka, om den sträcks ut, skulle täcka ytan på en hel fotbollsplan.
I en nyligen publicerad studie publicerad i tidskriften ACS Applied Materials and Interfaces , forskare som söker efter kandidatmaterial för att åtgärda NO2 och SO2 undersökte en serie MOF som kan tillverkas av hela familjen av sällsynta jordartsmetaller. De använde datorsimuleringar och en kombination av neutron- och röntgenspridningsexperiment för att hjälpa dem att bestämma de optimala förhållandena för att syntetisera materialen. I processen avslöjade de också viktiga detaljer om en intressant defekt som bildas i MOF:erna som de säger kan vara användbar för att bygga anordningar för att fånga upp utsläpp eller känna av farliga nivåer av giftiga gaser.
"Metalorganiska ramverk är verkligen nya i sin flexibilitet, sin kemi och hur du kan skräddarsy deras struktur. Om du byter ut organiska molekyler kan du ställa in strukturen för att rikta in sig på olika gaser", säger Sandia National Laboratorys Susan Henkelis, studiens ledare författare. "Sura gaser kommer vanligtvis från förbränningsprocesser, så den här forskningen kan vara användbar för att utveckla anordningar som hjälper till att begränsa utsläppen från storskaliga industrianläggningar som oljeraffinaderier och fossilbränslebaserade kraftverk."
Teamet inkluderar forskare från Department of Energys (DOE) Sandia och Oak Ridge nationella laboratorier (ORNL) och University of Tennessee, Knoxville (UTK). Forskarna är en del av Center for Understanding and Control of Acid Gas-Induced Evolution of Materials, eller UNCAGE-ME, ett program som utvecklats specifikt för att förstå interaktionerna mellan sura gaser och fasta material. UNCAGE-ME är en del av en bredare forskningssatsning som stöds av DOE:s Energy Frontier Research Center (EFRC)-program, som sammanför forskningskapaciteten hos universitet och nationella laboratorier för att ge insikter i atomskala för att tackla några av världens största energiutmaningar som kan endast uppnås genom stora samarbeten.
"Det grundläggande vetenskapliga syftet med detta arbete var inriktat på att förstå hur kemin och syntesprocessen skapar dessa defekter, eftersom vi vill veta hur defekterna kan kontrolleras och vad deras inverkan är på adsorptionen av sura gaser", säger Peter Metz. en postdoktor vid UTK som arbetade inom neutronvetenskap vid ORNL under tiden för studien. "För att göra det måste vi förstå hur atombindningarna i MOF bildas och hur atomerna är ordnade."
Helst bildar burarna inuti varje syntetiserad MOF en kub. Varje hörn innehåller ett kluster av sex sällsynta jordartsmetalljoner med ett annat kluster i mitten av kuben. Varje par av metalljoner i klustret ansluter till ett annat par i ett annat kluster genom en enda länk, eller länkmolekyl.
Men ibland uppstår en defekt, särskilt i MOFs gjorda av europiumjoner, där länken viks och exponerar jonen av sällsynta jordartsmetaller, vilket ökar sannolikheten för att en förorenande molekyl fastnar i strukturen.
För att ta reda på varför detta händer använde forskarna en kombination av neutron- och röntgenspridningsexperiment för att kartlägga materialens atomstrukturer.
De använde röntgenstrålar för att hitta tungmetallelementen, vilket gav en kontur av den övergripande strukturen. Och för att bättre förstå hur de organiska molekylerna är ordnade bombarderade de materialen med neutroner med POWGEN-instrumentet vid ORNL:s Spallation Neutron Source (SNS), vilket hjälpte dem att spåra positionerna för väte-, kol- och syreatomerna som bildar molekylen bindningar mellan metalljonklustren.
Från experimenten kunde teamet fastställa att materialen med defekterna faktiskt bildades snabbare än deras defektfria motsvarigheter. De upptäckte också att defekterna avsiktligt kunde induceras genom att justera temperaturerna och den tid det tar att odla de kristallina materialen.
Teamet använde sedan de strukturella data som erhölls från experimenten för att köra datorsimuleringar för att se hur vart och ett av materialen – med och utan defekterna – interagerade med de giftiga gaserna NO2 och SO2 .
"Även om dessa nya insikter är på grundforskningssidan av saker, kan de ha en stor inverkan på vägen", säger Sandias Tina Nenoff, studiens motsvarande författare. "Vi lärde oss ny information om hur dessa material bildas, som vi kan använda för att kontrollera och designa MOF:er med mer specificitet. Och dessutom utvecklade vi ett heltäckande tillvägagångssätt för att utvärdera stora serier MOFs, vilket kommer att hjälpa till att påskynda takten i att hitta nya kandidatmaterial och utveckla dem i användbar teknik." + Utforska vidare
