Uma equipe internacional de cientistas, liderado pela Universidade de Manchester, desenvolveu uma estrutura metal-orgânica, ou MOF, material que fornece uma seleção, capacidade totalmente reversível e repetível para capturar um poluente tóxico do ar, dióxido de nitrogênio, produzido pela queima de diesel e outros combustíveis fósseis.

O material então requer apenas água e ar para converter o gás capturado em ácido nítrico para uso industrial. O mecanismo para o recorde de captação de gás pelo MOF, caracterizado por pesquisadores usando espalhamento de nêutrons no Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, poderia levar ao controle da poluição do ar e tecnologias de remediação que removem de forma econômica o poluente do ar e o convertem em ácido nítrico para uso na produção de fertilizantes, propelente de foguete, nylon e outros produtos.

Conforme relatado em Química da Natureza , o material, denotado como MFM-520, pode capturar o dióxido de nitrogênio atmosférico em pressões e temperaturas ambientes - mesmo em baixas concentrações e durante o fluxo - na presença de umidade, dióxido de enxofre e dióxido de carbono. Apesar da natureza altamente reativa do poluente, O MFM-520 provou ser capaz de ser totalmente regenerado várias vezes por desgaseificação ou por tratamento com água do ar - um processo que também converte o dióxido de nitrogênio em ácido nítrico.

"Para nosso conhecimento, este é o primeiro MOF a capturar e converter um tóxico, poluente gasoso do ar em uma mercadoria industrial útil, "disse Sihai Yang, um dos principais autores do estudo e palestrante sênior do Departamento de Química de Manchester. "Também é interessante que a maior taxa de absorção de NO2 por este material ocorre em torno de 113 graus Fahrenheit (45 graus centígrados), que é mais ou menos a temperatura do escapamento de automóveis. "

Martin Schröder, um dos principais autores do estudo, professor de química e vice-presidente da Universidade de Manchester, disse, "O mercado global de ácido nítrico em 2016 foi de US $ 2,5 bilhões, portanto, há muito potencial para os fabricantes dessa tecnologia MOF recuperarem seus custos e lucrarem com a produção de ácido nítrico resultante. Especialmente porque os únicos aditivos necessários são água e ar. "

Como parte da pesquisa, os cientistas usaram espectroscopia de nêutrons e técnicas computacionais no ORNL para caracterizar precisamente como o MFM-520 captura moléculas de dióxido de nitrogênio.

"Este projeto é um excelente exemplo do uso da ciência de nêutrons para estudar a estrutura e atividade de moléculas dentro de materiais porosos, "disse Timmy Ramirez-Cuesta, co-autor e coordenador da iniciativa de química e catálise na Diretoria de Ciências de Nêutrons do ORNL. "Graças ao poder de penetração dos nêutrons, rastreamos como as moléculas de dióxido de nitrogênio se organizaram e se moveram dentro dos poros do material, e estudou os efeitos que eles tiveram em toda a estrutura do MOF. O que tornou essas observações possíveis é o espectrômetro vibracional VISION na Fonte de Nêutrons de Espalação de ORNL, que tem a maior sensibilidade e resolução de seu tipo no mundo. "

A capacidade dos nêutrons de penetrar no metal sólido para sondar as interações entre as moléculas de dióxido de nitrogênio e o MFM-520 está ajudando os pesquisadores a validar um modelo de computador dos processos de conversão e separação de gases do MOF. Esse modelo pode ajudar a prever como produzir e adaptar outros materiais para capturar uma variedade de gases diferentes.

"A espectroscopia vibracional de nêutrons é uma ferramenta única para estudar os mecanismos de adsorção e reação e as interações hóspede-hospedeiro em nível molecular, especialmente quando combinado com simulação de computador, "disse Yongqiang Cheng, um cientista e co-autor do espalhamento de nêutrons ORNL. "A interação entre as moléculas de dióxido de nitrogênio e MOF causa mudanças extremamente pequenas em seu comportamento vibracional. Essas mudanças só podem ser reconhecidas quando o modelo de computador as prevê com precisão."

“A caracterização do mecanismo responsável pela alta, a rápida absorção de NO2 informará projetos futuros de materiais melhorados para capturar poluentes do ar, "disse Jiangnan Li, primeiro autor e aluno de doutorado na Universidade de Manchester. "O pós-tratamento do dióxido de nitrogênio capturado evita a necessidade de sequestrar ou processar o gás e fornece orientação futura para tecnologias de ar limpo."

Capturar gases de efeito estufa e gases tóxicos da atmosfera tem sido um desafio por causa de suas concentrações relativamente baixas e porque a água no ar compete com e muitas vezes pode afetar negativamente a separação de moléculas de gás alvo de outros gases. Outro problema era encontrar uma maneira prática de filtrar e converter gases capturados em úteis, produtos de valor agregado. O material MFM-520 MOF oferece soluções para muitos desses desafios.

Co-autores adicionais do artigo, intitulado "Captura de dióxido de nitrogênio e conversão em ácido nítrico em uma estrutura metal-orgânica porosa, "incluem Xue Han, Xinran Zhang, Alena M. Sheveleva, Floriana Tuna, Eric J. L. Mcinnes, Laura J. McCormick McPherson, Simon J. Teat e Luke L. Daemen.