新材料捕获有毒空气污染物并转化为有用的化学品

二氧化氮分子（描绘的蓝色和紫色的）插图在MFM-520金属 - 有机骨架材料的纳米尺寸孔中捕获，如在橡木岭国家实验室的中子振动光谱中观察到的。

由曼彻斯特大学领导的国际科学家队开发了一种金属有机框架，或MOF材料，提供一种选择性，完全可逆和可重复的能力，可捕获通过燃烧柴油和燃烧柴油和柴油产生的氮二氧化氮的氮素二氧化碳其他化石燃料。

然后材料仅需要水和空气将捕获的气体转化为硝酸以进行工业用途。MOF的录制气体吸收机制，其特征在于在能源橡树岭国家实验室部门使用中子散射的研究人员，可能导致空气污染控制和修复技术，从而降低空气和转换污染物它进入硝酸用于生产肥料，火箭推进剂，尼龙和其他产品。

据报道，目前（2019年11月22日）在自然化学中，表示为MFM-520的材料，可以在环境压力和温度下捕获大气氮气 - 甚至在低浓度和流动过程中，在水分的存在下，硫二氧化碳和二氧化碳。尽管污染物具有高度反应性，但是通过从空气中的方法脱气或通过水处理将氮气转化为硝酸的过程，因此证明了能够通过脱气或通过水进行处理完全再生。

“为了我们的知识，这是捕获和将有毒气氛空气污染物转化为一个有用的工业商品的首先，”Sihai Yang是曼彻斯特化学系的高级讲师之一。“这也很有趣的是，这种物质的最高速率发生在大约113华氏度（45度）（45℃），这是关于汽车尾气的温度。”

该研究的领先作者MartinSchröder表示，曼彻斯特大学的化学教授和曼彻斯特大学副主席表示，“2016年硝酸的全球市场为25亿美元，所以这厂商有很多潜力MOF技术从而从而从所产生的硝酸生产中收回其成本和利润。特别是因为所需的唯一添加剂是水和空气。“

作为研究的一部分，科学家们在ORN1处使用中子谱和计算技术，精确地表征MFM-520如何捕获氮二氧化物分子。

“该项目是利用中子科学研究多孔材料中分子结构和活动的重要例子，”奥诺尔中子科学局的化学和催化倡议共同作者和协调员的Timmy Ramirez-Cuesta表示。“由于中子的穿透力，我们跟踪了氮二氧化氮分子的布置和移动在材料的孔内，并研究了它们对整个MOF结构的影响。使这些观察结果可能是奥诺尔介绍中子源的视觉振动光谱仪，其在世界上具有最高的敏感性和解决方案。“

中子渗透固体金属以探测氮二氧化氮分子和MFM-520之间的相互作用是帮助研究人员验证了MOF气体分离和转换过程的计算机模型。这种模型可以帮助预测如何生产和定制其他材料以捕获各种不同的气体。

“中子振动光谱是一种独特的工具，用于研究分子水平的吸附和反应机制和客体 - 宿主相互作用，特别是当与计算机模拟结合时，”奥诺中子散射科学家和共同作者龙强程表示。“二氧化氮分子与MOF之间的相互作用导致其振动行为的极小变化。只有在计算机模型准确预测它们时才能识别出这样的更改。“

“负责NO2的高度快速摄取的机制的特点将通知未来的改进材料的设计，以捕获空气污染物，”曼彻斯特大学第一作者和博士生江南李先生说。“捕获的氮二氧化氮的后处理避免了需要螯合或加工气体，并为清洁空气技术提供未来的方向。”

由于它们的浓度相对较低，而且由于空中的水与其竞争，因此捕获温室和毒性气体是挑战，并且通常会对目标气体分子与其他气体的分离产生负面影响。另一个问题是发现过滤器的实用方法，并将捕获的气体转换为有用的增值产品。MFM-520 MOF材料为许多这些挑战提供了解决方案。

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参考：江南李，薛汉，新兰张，艾琳娜·盛安，弗洛里亚纳金枪鱼，埃里卡·麦克莱尼斯，劳拉·麦克莱尼斯，劳拉J.McCormick麦克弗森，艾伦·麦克莱尼克·麦克尔森J. Teat，Luke L. Daemen，Anibal J.Ramirez-Cuesta，MartinSchröder和Sihai Yang，2019年11月22日，自然化学.DOI：
10.1038 / S41557-019-0356-0

纸张的其他共同作者，标题为“在多孔金属 - 有机框架中捕获氮素二氧化氮并转化为硝酸”，包括Xue Han，Xinran Zhang，Alena M. Sheveleva，Floriana Tuna，Eric Jl Mcinnes，Laura J. McCormick McPherson，Simon J. Teat和Luke L. Daemen。

中子研究得到了能源科学办公室的支持，并利用了由Ornl的实验室指导研发计划资助的中子数据软件计划的集成计算机环境建模和分析。