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金属有机骨架材料-有望实现再生可控的从大气中分离有害气体
2018.06.13   点击93次

图为在橡树岭国家实验室使用中子散射特征进行表征的MFM-300(Al)金属-有机骨架材料纳米级孔洞内的二氧化氮分子(用红色和金色表示)

在曼彻斯特大学(the University of Manchester)的带领下,一支由科学家组成的国际团队开发了一种金属-有机骨架材料(MOF),该材料具有选择性、完全可逆性和可重复使用的能力,可在大气环境条件下从中去除二氧化氮气体。 研究人员在美国能源部的橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)使用中子散射证实了这一发现,这种发现可能使得空气过滤技术有效地捕获和转化大量目标气体,包括二氧化碳和其他温室气体,从而促进长期有效地封存和缓解空气污染,并在一定程度上遏制全球变暖。

正如《Nature Materials》杂志中所报道的那样,被称为MFM-300(Al)的材料首次展示了在环境压力和温度并存在水分、二氧化硫和二氧化碳(在低浓度下)的情况下,可逆转、选择性地捕获二氧化氮。尽管二氧化氮具有高度反应性,但MFM-300(Al)材料被证明是非常稳定的,拥有完全再生或脱气的能力,而不损失结晶度或孔隙度。

曼彻斯特大学化学学院无机化学讲师,同时也是该研究的主要研究员之一的Sihai Yang说:“这种材料是金属-有机框架的第一个例子,它表现出高度选择性和完全可逆性的能力将二氧化氮从空气中分离出来,即使在水存在的情况下也是如此。”

另一位来自曼彻斯特大学化学学院的主要研究员Martin Schroder教授评论说,“对不同多孔材料的其他研究常常发现,在随后的循环中,对二氧化氮的分离能力会逐渐降低会,或者再生过程太困难且成本太高。”

作为研究的一部分,科学家们利用能源部在橡树岭国家实验室的中子散射技术来确定和精确地描述MFM-300(Al)是如何捕获二氧化氮分子的。

“中子可以轻易穿透致密的材料它们对较轻的元素很敏感,比如MFM内部的氢原子,这使我们能够观察到二氧化氮分子如何被限制在纳米级孔隙内。”Timmy Ramirez-Cuesta说,他是奥尔尼中子科学理事会(ORNL's Neutron Sciences Directorate)化学和催化倡议的合著者和协调者。“我们受益于视觉振动光谱学提供的超高灵敏度和定量数据,这些数据来自于ORNL在中子源上散裂的16-B波束,该中子源使用中子而不是光子来探测分子振动。”

能够直接观察MFM-300(Al)捕集二氧化氮的方式和位置,这有助于研究人员验证MOF气体分离过程的计算机模型,同时也有助于识别如何生产和调整其他材料,来捕获各种不同的气体。

“计算机建模和模拟在解释中子散射数据方面发挥了关键作用,它帮助我们将振动光谱的细微变化与MFM-300与被捕捉分子之间的相互作用联系起来,”ORNL中子散射科学家兼合著者郑永强说,“我们的目标是将这个模型与实验技术相结合,以实现原本难以实现的结果。”

长期以来,从大气中捕获温室气体和有毒气体一直是一个挑战,因为它们的浓度相对较低,并且空气中存在水分,这会对目标气体分子与其他气体的分离产生负面影响。另一个挑战是找到一种切实可行的方法释放捕获的天然气进行长期封存,例如在地下枯竭的油藏或含盐的岩层中。MOFs为许多这些挑战提供了解决方案,这就是为什么它们是最近的科学研究的主题。

该研究小组由来自五个国家和机构的科学家组成,包括诺丁汉大学( the University of Nottingham)、纽卡斯尔大学泰恩分校(University of Newcastle upon Tyne)、诺丁汉宁波大学(University of Nottingham Ningbo China)、北京大学(Peking University)、国际层析成像中心(the International Tomography Center SB RAS)、新西伯利亚州立大学(Novosibirsk State University)和格勒诺布尔的欧洲同步加速器辐射设施。

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