Un inquinante tossico prodotto dalla combustione di combustibili fossili può essere catturato dal flusso di gas di scarico e convertito in utili prodotti chimici industriali utilizzando solo acqua e aria grazie a un nuovo materiale avanzato sviluppato da un team internazionale di scienziati.

Nuova ricerca condotta dall'Università di Manchester, ha sviluppato un materiale di struttura metallo-organica (MOF) che fornisce un selettivo, capacità completamente reversibile e ripetibile di catturare il biossido di azoto (NO ₂ ), un inquinante atmosferico tossico prodotto in particolare dall'uso di diesel e biocarburanti. Il no ₂ può quindi essere facilmente convertito in acido nitrico, un'industria multimiliardaria con usi tra cui, fertilizzante agricolo per colture; propellente per razzi e nylon.

I MOF sono minuscole strutture tridimensionali che sono porose e possono intrappolare i gas all'interno, comportandosi come gabbie. Gli spazi vuoti interni nei MOF possono essere vasti per le loro dimensioni, un solo grammo di materiale può avere una superficie equivalente a un campo da calcio.

Il meccanismo altamente efficiente in questo nuovo MOF è stato caratterizzato dai ricercatori che hanno utilizzato la diffusione di neutroni e la diffrazione dei raggi X di sincrotrone presso l'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy e il Berkeley National Laboratory, rispettivamente. Il team ha anche utilizzato il National Service for Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy a Manchester per studiare il meccanismo di adsorbimento di NO ₂ in MFM-520. La tecnologia potrebbe portare al controllo dell'inquinamento atmosferico e contribuire a porre rimedio all'impatto negativo che il biossido di azoto ha sull'ambiente.

Come in Chimica della natura , il materiale, denominato MFM-520, può catturare il biossido di azoto a pressione e temperatura ambiente, anche a basse concentrazioni e durante il flusso, in presenza di umidità, anidride solforosa e anidride carbonica. Nonostante la natura altamente reattiva dell'inquinante, MFM-520 si è dimostrato in grado di essere completamente rigenerato più volte mediante degasaggio o trattamento con acqua nell'aria, un processo che converte anche il biossido di azoto in acido nitrico.

"Questo è il primo MOF a catturare e convertire un tossico, inquinante atmosferico gassoso in un utile prodotto industriale", ha affermato il dott. Sihai Yang, un autore principale e un docente senior presso il Dipartimento di Chimica dell'Università di Manchester. "È anche interessante che il più alto tasso di NO ₂ l'assorbimento da parte di questo MOF avviene a circa 45 gradi centigradi, che è circa la temperatura degli scarichi delle automobili."

Professore e Vicepresidente e Preside della Facoltà di Scienze e Ingegneria dell'Università di Manchester Martin Schröder, uno degli autori principali dello studio, ha dichiarato:"Il mercato globale dell'acido nitrico nel 2016 era di 2,5 miliardi di dollari, quindi c'è un grande potenziale per i produttori di questa tecnologia MOF per recuperare i loro costi e trarre profitto dalla produzione di acido nitrico risultante. Tanto più che gli unici additivi necessari sono acqua e aria."

Nell'ambito della ricerca, gli scienziati hanno utilizzato la spettroscopia neutronica e le tecniche computazionali presso l'ORNL per caratterizzare con precisione il modo in cui MFM-520 cattura le molecole di biossido di azoto.

"Questo progetto è un eccellente esempio di utilizzo della scienza dei neutroni per studiare la struttura e l'attività delle molecole all'interno di materiali porosi, " ha detto Timmy Ramirez-Cuesta, coautore e coordinatore per l'iniziativa di chimica e catalisi presso la direzione delle scienze dei neutroni dell'ORNL. "Grazie al potere penetrante dei neutroni, abbiamo tracciato come le molecole di biossido di azoto si disponevano e si muovevano all'interno dei pori del materiale, e studiato gli effetti che avevano sull'intera struttura MOF."

"La caratterizzazione del meccanismo responsabile dell'alta, rapido assorbimento di NO ₂ informerà i progetti futuri di materiali migliorati per catturare gli inquinanti atmosferici", ha affermato Jiangnan Li, il primo autore e un dottorato di ricerca. studente presso l'Università di Manchester.

Nel passato, catturare i gas serra e tossici dall'atmosfera era una sfida a causa delle loro concentrazioni relativamente basse e perché l'acqua nell'aria compete e spesso può influenzare negativamente la separazione delle molecole di gas mirate da altri gas. Un altro problema era trovare un modo pratico per filtrare e convertire i gas catturati in utili, prodotti a valore aggiunto. Il materiale MFM-520 offre soluzioni a molte di queste sfide.