Ilustración de una molécula de dióxido de nitrógeno (representada en azul y violeta) capturada en un poro de tamaño nanométrico de un material de estructura organometálico MFM-520 como se observa mediante espectroscopía vibracional de neutrones en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Crédito:Jill Hemman / Laboratorio Nacional Oak Ridge / Departamento de Energía de EE. UU.
Un equipo internacional de científicos, dirigido por la Universidad de Manchester, ha desarrollado un marco metal-orgánico, o MOF, material que proporciona un selectivo, Capacidad totalmente reversible y repetible para capturar un contaminante atmosférico tóxico, dioxido de nitrogeno, producido por la combustión de diesel y otros combustibles fósiles.
Entonces, el material solo requiere agua y aire para convertir el gas capturado en ácido nítrico para uso industrial. El mecanismo para la captación de gas sin precedentes por parte del MOF, caracterizado por investigadores que utilizan la dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía, podría conducir al control de la contaminación del aire y tecnologías de remediación que eliminen de manera rentable el contaminante del aire y lo conviertan en ácido nítrico para su uso en la producción de fertilizantes, propulsor de cohetes, nailon y otros productos.
Como se informó en Química de la naturaleza , el material, denotado como MFM-520, puede capturar dióxido de nitrógeno atmosférico a presiones y temperaturas ambientales, incluso a bajas concentraciones y durante el flujo, en presencia de humedad, dióxido de azufre y dióxido de carbono. A pesar de la naturaleza altamente reactiva del contaminante, El MFM-520 demostró ser capaz de regenerarse completamente varias veces mediante la desgasificación o el tratamiento con agua del aire, un proceso que también convierte el dióxido de nitrógeno en ácido nítrico.
"Hasta donde sabemos, este es el primer MOF que captura y convierte un tóxico, contaminante gaseoso del aire en un producto industrial útil, "dijo Sihai Yang, uno de los autores principales del estudio y profesor titular del Departamento de Química de Manchester. "También es interesante que la tasa más alta de absorción de NO2 por este material ocurre alrededor de 113 grados Fahrenheit (45 grados centígrados), que se trata de la temperatura de los escapes de los automóviles ".
Martin Schröder, un autor principal del estudio, profesor de química y vicepresidente de la Universidad de Manchester, dijo, "El mercado global de ácido nítrico en 2016 fue de USD $ 2.5 mil millones, por lo que existe un gran potencial para que los fabricantes de esta tecnología MOF recuperen sus costos y se beneficien de la producción de ácido nítrico resultante. Sobre todo porque los únicos aditivos necesarios son el agua y el aire ".
Como parte de la investigación, Los científicos utilizaron espectroscopía de neutrones y técnicas computacionales en ORNL para caracterizar con precisión cómo el MFM-520 captura las moléculas de dióxido de nitrógeno.
"Este proyecto es un excelente ejemplo del uso de la ciencia de los neutrones para estudiar la estructura y la actividad de las moléculas en el interior de materiales porosos, "dijo Timmy Ramirez-Cuesta, coautor y coordinador de la iniciativa de química y catálisis de la Dirección de Ciencias Neutrónicas de la ORNL. "Gracias al poder de penetración de los neutrones, rastreamos cómo las moléculas de dióxido de nitrógeno se organizaron y se movieron dentro de los poros del material, y estudiaron los efectos que tenían en toda la estructura de MOF. Lo que hizo posibles estas observaciones es el espectrómetro vibratorio VISION en la fuente de neutrones de espalación de ORNL, que tiene la mayor sensibilidad y resolución de su tipo en el mundo ".
La capacidad de los neutrones para penetrar el metal sólido para sondear las interacciones entre las moléculas de dióxido de nitrógeno y MFM-520 está ayudando a los investigadores a validar un modelo informático de los procesos de conversión y separación de gases MOF. Tal modelo podría ayudar a predecir cómo producir y adaptar otros materiales para capturar una variedad de gases diferentes.
"La espectroscopia vibratoria de neutrones es una herramienta única para estudiar los mecanismos de adsorción y reacción y las interacciones huésped-huésped a nivel molecular, especialmente cuando se combina con simulación por computadora, "dijo Yongqiang Cheng, un científico y coautor de la dispersión de neutrones ORNL. "La interacción entre las moléculas de dióxido de nitrógeno y MOF provoca cambios extremadamente pequeños en su comportamiento vibratorio. Estos cambios solo pueden reconocerse cuando el modelo informático los predice con precisión".
"La caracterización del mecanismo responsable de la alta, la rápida absorción de NO2 informará los diseños futuros de materiales mejorados para capturar los contaminantes del aire, "dijo Jiangnan Li, primer autor y estudiante de doctorado en la Universidad de Manchester. "El postratamiento del dióxido de nitrógeno capturado evita la necesidad de secuestrar o procesar el gas y proporciona una dirección futura para las tecnologías de aire limpio".
La captura de gases de efecto invernadero y tóxicos de la atmósfera ha sido un desafío debido a sus concentraciones relativamente bajas y porque el agua en el aire compite con la separación de las moléculas de gas objetivo de otros gases y, a menudo, puede afectar negativamente. Otro problema fue encontrar una forma práctica de filtrar y convertir los gases capturados en útiles, productos de valor agregado. El material MFM-520 MOF ofrece soluciones a muchos de estos desafíos.
Coautores adicionales del artículo, titulado "Captura de dióxido de nitrógeno y conversión en ácido nítrico en una estructura organometálica porosa, "incluye a Xue Han, Xinran Zhang, Alena M. Sheveleva, Atún Floriana, Eric J. L. Mcinnes, Laura J. McCormick McPherson, Simon J. Teat y Luke L. Daemen.
