Ett internationellt team av forskare, leds av University of Manchester, har utvecklat ett metallorganiskt ramverk, eller MOF, material som ger en selektiv, helt reversibel och repeterbar förmåga att fånga upp en giftig luftförorening, kvävedioxid, produceras genom förbränning av diesel och andra fossila bränslen.

Materialet kräver då endast vatten och luft för att omvandla den infångade gasen till salpetersyra för industriellt bruk. Mekanismen för MOF:s rekordstora gasupptag, kännetecknas av forskare som använder neutronspridning vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, kan leda till luftföroreningskontroll och saneringstekniker som kostnadseffektivt tar bort föroreningarna från luften och omvandlar den till salpetersyra för användning vid framställning av gödningsmedel, raketdrivmedel, nylon och andra produkter.

Som rapporterats i Naturkemi , Materialet, betecknad som MFM-520, kan fånga atmosfärisk kvävedioxid vid omgivande tryck och temperaturer – även vid låga koncentrationer och under flöde – i närvaro av fukt, svaveldioxid och koldioxid. Trots den mycket reaktiva naturen hos föroreningen, MFM-520 visade sig kunna regenereras helt flera gånger genom avgasning eller genom behandling med vatten från luften - en process som också omvandlar kvävedioxiden till salpetersyra.

"Så vitt vi vet, detta är den första MOF som både fångar och omvandlar en giftig, gasformig luftförorening till en användbar industrivara, sa Sihai Yang, en av studiens huvudförfattare och en universitetslektor vid Manchesters Department of Chemistry. "Det är också intressant att den högsta graden av NO2-upptag av detta material sker vid cirka 113 grader Fahrenheit (45 grader Celsius), som handlar om temperaturen på bilavgaser."

Martin Schröder, en huvudförfattare till studien, professor i kemi och vicepresident vid University of Manchester, 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 karakterisera 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 ordnade sig och rörde sig inuti materialets porer, och studerade effekterna de hade på hela MOF-strukturen. Det som gjorde dessa observationer möjliga är VISION vibrationsspektrometern vid ORNL:s Spallation Neutron Source, som har den högsta känsligheten och upplösningen i sitt slag i världen."

Neutronernas förmåga att penetrera fast metall för att undersöka interaktionerna mellan kvävedioxidmolekylerna och MFM-520 hjälper forskarna att validera en datormodell av MOF-gasseparations- och omvandlingsprocesser. En sådan modell kan hjälpa till att förutsäga hur man producerar och skräddarsyr andra material för att fånga upp en mängd olika gaser.

"Neutronvibrationsspektroskopi är ett unikt verktyg för att studera adsorptions- och reaktionsmekanismer och gäst-värdinteraktioner på molekylär nivå, speciellt i kombination med datorsimulering, " sa Yongqiang Cheng, en ORNL neutronspridningsforskare och medförfattare. "Samspelet mellan kvävedioxidmolekylerna och MOF orsakar extremt små förändringar i deras vibrationsbeteende. Sådana förändringar kan bara kännas igen när datormodellen exakt förutsäger dem."

"Karakteriseringen av den mekanism som är ansvarig för den höga, snabbt upptag av NO2 kommer att informera framtida design av förbättrade material för att fånga upp luftföroreningar, sa Jiangnan Li, första författare och doktorand vid University of Manchester. "Efterbehandlingen av den infångade kvävedioxiden undviker behovet av att binda eller bearbeta gasen och ger framtida riktning för ren luftteknik."

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

Ytterligare medförfattare till tidningen, titeln "Fångning av kvävedioxid och omvandling till salpetersyra i ett poröst metall-organiskt ramverk, " inkluderar Xue Han, Xinran Zhang, Alena M. Sheveleva, Floriana tonfisk, Eric J.L. Mcinnes, Laura J. McCormick McPherson, Simon J. Teat och Luke L. Daemen.