Un team internazionale di scienziati, guidato dall'Università di Manchester, ha sviluppato una struttura metallo-organica, o MOF, materiale che fornisce un selettivo, capacità completamente reversibile e ripetibile di catturare un inquinante atmosferico tossico, diossido di azoto, prodotto dalla combustione di diesel e altri combustibili fossili.

Il materiale richiede quindi solo acqua e aria per convertire il gas catturato in acido nitrico per uso industriale. Il meccanismo per l'assorbimento di gas da record da parte del MOF, caratterizzato da ricercatori che utilizzano la diffusione di neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy, potrebbe portare a tecnologie di controllo dell'inquinamento atmosferico e di bonifica che rimuovono in modo conveniente l'inquinante dall'aria e lo convertono in acido nitrico da utilizzare nella produzione di fertilizzanti, propellente per razzi, nylon e altri prodotti.

Come riportato in Chimica della natura , il materiale, indicato come MFM-520, può catturare il biossido di azoto atmosferico 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 dall'aria, un processo che converte anche il biossido di azoto in acido nitrico.

"Per quello che ci risulta, questo è il primo MOF a catturare e convertire un tossico, inquinante atmosferico gassoso in un bene industriale utile, " disse Sihai Yang, uno degli autori principali dello studio e docente senior presso il Dipartimento di Chimica di Manchester. "È anche interessante che il più alto tasso di assorbimento di NO2 da parte di questo materiale si verifichi a circa 113 gradi Fahrenheit (45 gradi centigradi), che è circa la temperatura degli scarichi delle automobili."

Martin Schröder, uno degli autori principali dello studio, professore di chimica e vicepresidente dell'Università di Manchester, disse, "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. Ciò che ha reso possibili queste osservazioni è lo spettrometro vibrazionale VISION presso la Spallation Neutron Source di ORNL, che ha la più alta sensibilità e risoluzione del suo genere al mondo."

La capacità dei neutroni di penetrare nel metallo solido per sondare le interazioni tra le molecole di biossido di azoto e MFM-520 sta aiutando i ricercatori a convalidare un modello computerizzato dei processi di separazione e conversione del gas MOF. Un tale modello potrebbe aiutare a prevedere come produrre e adattare altri materiali per catturare una varietà di gas diversi.

"La spettroscopia vibrazionale di neutroni è uno strumento unico per studiare i meccanismi di adsorbimento e reazione e le interazioni ospite-ospite a livello molecolare, soprattutto se combinato con la simulazione al computer, " disse Yongqiang Cheng, uno scienziato e coautore dello scattering di neutroni dell'ORNL. "L'interazione tra le molecole di biossido di azoto e MOF provoca cambiamenti estremamente piccoli nel loro comportamento vibrazionale. Tali cambiamenti possono essere riconosciuti solo quando il modello al computer li prevede con precisione".

"La caratterizzazione del meccanismo responsabile dell'alta, il rapido assorbimento di NO2 informerà i progetti futuri di materiali migliorati per catturare gli inquinanti atmosferici, " ha detto Jiangnan Li, primo autore e dottorando all'Università di Manchester. "Il post-trattamento del biossido di azoto catturato evita la necessità di sequestrare o trattare il gas e fornisce indicazioni future per le tecnologie dell'aria pulita".

Catturare i gas serra e tossici dall'atmosfera è stata una sfida a causa delle loro concentrazioni relativamente basse e perché l'acqua nell'aria è in competizione 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 MOF offre soluzioni a molte di queste sfide.

Ulteriori coautori del documento, intitolato "Cattura di biossido di azoto e conversione in acido nitrico in una struttura metallo-organica porosa, " includi Xue Han, Xinran Zhang, Alena M. Sheveleva, Tonno Floriana, Eric J.L. Mcinnes, Laura J. McCormick McPherson, Simon J. Teat e Luke L. Daemen.