Dióxido de nitrogênio e dióxido de enxofre (NO₂ e SO₂ ) são gases tóxicos prejudiciais ao meio ambiente e à saúde humana. Uma vez que entram na atmosfera, eles podem viajar centenas de quilômetros, poluindo o ar e causando chuva ácida que, por sua vez, danifica edifícios, árvores e plantações. A exposição aos gases tóxicos também pode levar a infecções respiratórias, asma e doenças pulmonares crônicas.
Por essas razões, os chamados gases ácidos estão no topo da lista de poluentes visados ​​pela Lei do Ar Limpo, que exige que a Agência de Proteção Ambiental regule e estabeleça limites de NO₂ e SO₂ emissões com o objetivo de melhorar a qualidade do ar e prevenir doenças generalizadas.

Os cientistas estão desenvolvendo materiais que podem detectar e reter gases ácidos, um esforço entre algumas das principais estratégias inovadoras para mitigar a poluição do ar e combater as mudanças climáticas. A abordagem consiste em várias soluções tecnológicas projetadas para filtrar o ar capturando ou aprisionando gases tóxicos das emissões. Em alguns casos, as moléculas capturadas também podem ser armazenadas e reutilizadas – o dióxido de carbono, por exemplo, pode ser reutilizado em certas aplicações para promover a fotossíntese e o crescimento das plantas.

Materiais chamados estruturas orgânicas metálicas, ou MOFs, podem levar o sequestro de gás ácido para o próximo nível, tornando-o uma abordagem mais viável e prática para melhorar a qualidade do ar em escala global. MOFs são essencialmente uma matriz microscópica de átomos de metal ligados uns aos outros por moléculas orgânicas que formam um padrão repetido de pequenas gaiolas de metal interconectadas. Eles agem como uma esponja que pode aderir ou absorver moléculas à sua superfície. Na verdade, os MOFs são tão altamente porosos que a quantidade que caberia no bolso de alguém, se esticada, cobriria a superfície de um campo de futebol inteiro.

Em um estudo recente publicado na revista ACS Applied Materials and Interfaces , pesquisadores em busca de materiais candidatos para remediar NO₂ e SO₂ investigou uma série de MOFs que podem ser feitos de toda a família de metais de terras raras. Eles usaram simulações de computador e uma combinação de experimentos de dispersão de nêutrons e raios-X para ajudá-los a determinar as condições ideais para sintetizar os materiais. No processo, eles também descobriram detalhes importantes sobre um defeito interessante que se forma nos MOFs que eles dizem que poderia ser útil na construção de dispositivos para capturar emissões ou detectar níveis perigosos de gases tóxicos.

"As estruturas orgânicas metálicas são realmente novas em sua flexibilidade, química e como você pode adaptar sua estrutura. Se você trocar moléculas orgânicas, poderá ajustar a estrutura para atingir diferentes gases", disse Susan Henkelis, do Sandia National Laboratory, líder do estudo. autor. “Os gases ácidos normalmente vêm de processos de combustão, então esta pesquisa pode ser útil no desenvolvimento de dispositivos para ajudar a limitar as emissões de instalações industriais de grande escala, como refinarias de petróleo e usinas de energia baseadas em combustíveis fósseis”.

A equipe inclui pesquisadores dos laboratórios nacionais Sandia e Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) e da Universidade do Tennessee, Knoxville (UTK). Os pesquisadores fazem parte do Centro de Compreensão e Controle da Evolução de Materiais Induzidos por Gás Ácidos, ou UNCAGE-ME, um programa desenvolvido especificamente para entender as interações entre gases ácidos e materiais sólidos. O UNCAGE-ME faz parte de um esforço de pesquisa mais amplo apoiado pelo programa Energy Frontier Research Center (EFRC) do DOE, que reúne as capacidades de pesquisa de universidades e laboratórios nacionais para fornecer insights em escala atômica para enfrentar alguns dos maiores desafios energéticos do mundo que podem só pode ser alcançado através de grandes colaborações.

"O objetivo fundamental da ciência deste trabalho foi entender como a química e o processo de síntese criam esses defeitos, porque queremos saber como os defeitos podem ser controlados e qual é seu efeito na adsorção de gases ácidos", disse Peter Metz, um pesquisador de pós-doutorado na UTK que trabalhou em Neutron Sciences no ORNL durante o tempo do estudo. “Para fazer isso, precisamos entender como as ligações atômicas nos MOFs se formam e como os átomos são organizados”.

Idealmente, as gaiolas dentro de cada MOF sintetizado formam um cubo. Cada canto contém um aglomerado de seis íons metálicos de terras raras com outro aglomerado no centro do cubo. Cada par de íons metálicos no cluster se conecta a outro par em outro cluster por um único link, ou molécula de ligação.

Mas às vezes ocorre um defeito, especialmente em MOFs feitos de íons de európio, onde o linker se dobra e expõe o íon de terras raras, o que aumenta a probabilidade de uma molécula poluente ficar presa dentro da estrutura.

Para descobrir por que isso acontece, os pesquisadores usaram uma combinação de experimentos de dispersão de nêutrons e raios-X para mapear as estruturas atômicas dos materiais.

Eles usaram raios-X para encontrar os elementos de metal pesado, que forneceram um esboço da estrutura geral. E, para entender melhor como as moléculas orgânicas estão organizadas, eles bombardearam os materiais com nêutrons usando o instrumento POWGEN na Spallation Neutron Source (SNS) do ORNL, que os ajudou a rastrear as posições dos átomos de hidrogênio, carbono e oxigênio que formam a molécula molecular. ligações entre os aglomerados de íons metálicos.

A partir dos experimentos, a equipe foi capaz de determinar que os materiais com os defeitos realmente se formaram mais rapidamente do que suas contrapartes sem defeitos. Eles também descobriram que os defeitos podem ser induzidos intencionalmente ajustando as temperaturas e o tempo necessário para crescer os materiais cristalinos.

A equipe então usou os dados estruturais obtidos nos experimentos para executar simulações de computador para ver como cada um dos materiais - com e sem defeitos - interagiu com os gases tóxicos NO₂ e SO₂ .

“Embora esses novos insights estejam no lado da pesquisa básica, eles podem ter um grande impacto no futuro”, disse Tina Nenoff, da Sandia, autora correspondente do estudo. "Aprendemos novas informações sobre como esses materiais se formam, que podemos usar para controlar e projetar MOFs com mais especificidade. Além disso, desenvolvemos uma abordagem abrangente para avaliar grandes séries de MOFs, o que ajudará a acelerar o ritmo de encontrar novos materiais candidatos e desenvolvê-los em tecnologias úteis." + Explorar mais

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