Guidato dall'Università di Manchester, un team internazionale di scienziati ha sviluppato un materiale per strutture metallo-organico (MOF) che presenta un'azione selettiva, capacità completamente reversibile e ripetibile di rimuovere il biossido di azoto dall'atmosfera in condizioni ambientali. Questa scoperta, confermato dai ricercatori che utilizzano la diffusione di neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia, potrebbe portare a tecnologie di filtrazione dell'aria che catturano e convertono in modo conveniente grandi quantità di gas mirati, compreso l'anidride carbonica e altri gas serra, per facilitare il loro sequestro a lungo termine per contribuire a mitigare l'inquinamento atmosferico e il riscaldamento globale.

Come riportato in Materiali della natura , il materiale indicato come MFM-300(Al) ha mostrato il primo reversibile, cattura selettiva del biossido di azoto a pressione e temperatura ambiente, a basse concentrazioni, in presenza di umidità, anidride solforosa e anidride carbonica. Nonostante la natura altamente reattiva del biossido di azoto, il materiale MFM-300(Al) si è dimostrato estremamente robusto, dimostrando la capacità di essere completamente rigenerato, o degassato, più volte senza perdita di cristallinità o porosità.

"Questo materiale è il primo esempio di struttura metallo-organica che mostra una capacità altamente selettiva e completamente reversibile per la separazione ripetuta del biossido di azoto dall'aria, anche in presenza di acqua, " disse Sihai Yang, uno degli autori principali dello studio e docente di chimica inorganica presso la School of Chemistry di Manchester.

Professor Martin Schröder, un altro autore principale di Manchester Chemistry, commentato, "Altri studi su diversi materiali porosi hanno spesso riscontrato che le prestazioni sono state degradate nei cicli successivi dal biossido di azoto, o che il processo di rigenerazione è stato troppo difficile e costoso".

Nell'ambito della ricerca, gli scienziati hanno utilizzato tecniche di diffusione dei neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia per confermare e caratterizzare con precisione come MFM-300(Al) cattura le molecole di biossido di azoto.

"I neutroni possono facilmente penetrare nei materiali densi e sono sensibili agli elementi più leggeri, come gli atomi di idrogeno all'interno dell'MFM, che ci ha permesso di osservare come le molecole di biossido di azoto sono confinate all'interno dei pori di dimensioni nanometriche, " ha detto Timmy Ramirez-Cuesta, un coautore e coordinatore per l'iniziativa di chimica e catalisi presso la direzione delle scienze dei neutroni dell'ORNL. "Abbiamo beneficiato della sensibilità estremamente elevata e dei dati quantitativi forniti dallo strumento di spettroscopia vibrazionale VISION sulla linea di luce 16-B di ORNL presso la Spallation Neutron Source, che usa neutroni invece di fotoni per sondare le vibrazioni molecolari."

La capacità di osservare direttamente come e dove MFM-300(Al) intrappola il biossido di azoto sta aiutando i ricercatori a convalidare un modello computerizzato del processo di separazione del gas MOF, che potrebbe aiutare a identificare come produrre e adattare altri materiali per catturare una varietà di gas diversi.

"La modellazione e la simulazione al computer hanno svolto un ruolo fondamentale nell'interpretazione dei dati sulla diffusione dei neutroni, aiutandoci a collegare sottili cambiamenti negli spettri vibrazionali alle interazioni tra l'MFM-300 e le molecole intrappolate, " disse Yongqiang Cheng, uno scienziato e coautore dello scattering di neutroni dell'ORNL. "Il nostro obiettivo è integrare il modello con tecniche sperimentali per fornire risultati altrimenti difficili da raggiungere".

Catturare i gas serra e tossici dall'atmosfera è stata a lungo una sfida, a causa delle loro concentrazioni relativamente basse e della presenza di umidità nell'aria, che può influire negativamente sulla separazione delle molecole di gas mirate da altri gas. Un'altra sfida è stata trovare un modo pratico per rilasciare un gas catturato per il sequestro a lungo termine, come nei giacimenti di petrolio esauriti sotterranei o nelle formazioni rocciose piene di soluzione salina. I MOF offrono soluzioni a molte di queste sfide, per questo motivo sono oggetto di recenti indagini scientifiche.

Il team di ricerca ha coinvolto scienziati di istituzioni in cinque nazioni, compresa l'Università di Nottingham, Università di Newcastle upon Tyne, Università di Nottingham Ningbo Cina, Università di Pechino, il Centro Internazionale di Tomografia SB RAS, Università statale di Novosibirsk, e lo European Synchrotron Radiation Facility di Grenoble.

Ulteriori coautori del documento, intitolato "Adsorbimento reversibile di biossido di azoto all'interno di una robusta struttura metallo-organica porosa, " includi Xue Han, Harry G.W. Goffredo, Lydia Briggs, Andrew J. Davis, Luca L. Daemen, Alena M. Sheveleva, Tonno Floriana, Eric J.L. McInnes, Junliang Sole, Christina Drathen, Michael W. George, e K. Mark Thomas.