稀土金屬可能有助于解決酸性氣體污染問題

使用稀土金屬制成的材料可能是解決二氧化氮和二氧化硫污染的關(guān)鍵，這兩種氣體導(dǎo)致酸雨的形成。

通過利用一項稀土元素研究基金，美國橡樹嶺國家實驗室、桑迪亞國家實驗室和田納西大學(xué)諾克斯維爾分校已經(jīng)著手尋找金屬-有機(jī)骨架材料（MOF）。這些材料能有效地檢測和吸附酸性氣體。

在ACS Applied Materials and Interface期刊發(fā)表的一篇論文中，科學(xué)家解釋道，這種方法由多種技術(shù)解決方案組成。這些解決方案旨在過濾空氣，從排放廢氣中捕獲或吸附有毒氣體，在某些情況下，被捕獲的分子也可以被儲存和重新利用。

本質(zhì)上，金屬-有機(jī)骨架材料是通過有機(jī)分子將金屬原子相互連接形成的一種顯微基質(zhì)，其結(jié)構(gòu)就像是由相互連接的微小金屬籠子組成的重復(fù)圖案。這些金屬籠子像海綿一樣，能將氣體分子粘附或吸附至其表面。

稀土金屬-有機(jī)骨架材料領(lǐng)域的研究人員通過計算機(jī)模擬以及中子散射與X射線散射試驗相結(jié)合幫助其確定合成這類材料的最佳條件。在這一過程中，他們也發(fā)現(xiàn)在金屬-有機(jī)骨架材料中存在的一個有趣的缺陷，并了解了這種缺陷的重要細(xì)節(jié)。據(jù)他們稱，可以利用這些缺陷設(shè)計和制造排放物捕獲裝置或有毒氣體危險濃度檢測裝置。

該研究的第一作者Susan Henkelis在一項媒體聲明中表示，“在靈活性和化學(xué)性質(zhì)方面，以及在為材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行量身設(shè)計方面，金屬-有機(jī)骨架材料確實具有新穎性。如果替換有機(jī)分子，則可以調(diào)整骨架結(jié)構(gòu)，從而能捕獲或吸附不同的氣體。通常，酸性氣體來源于燃燒過程。因此，這項研究成果可以用于研制氣體吸附裝置，以幫助控制煉油廠和化石燃料發(fā)電廠等大型工業(yè)設(shè)施的廢氣排放量?！?/p>

認(rèn)識金屬-有機(jī)骨架材料

據(jù)Henkelis及其同事稱，在這項研究中，首先要了解金屬-有機(jī)骨架材料中原子鍵是如何形成的以及原子是如何排列的。

理想的情況是，在合成的每個金屬-有機(jī)骨架材料骨架內(nèi)的籠子形成一個立方體。每一個角落包含由6個稀土金屬離子形成的簇，在立方體的中心存在另一個離子簇。每個簇中的每對金屬離子通過一個單一的鏈接或鏈接分子與另一個簇中的另一對離子建立連接。

但是，有時會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷，在銪離子形成的金屬-有機(jī)骨架材料骨架中尤其如此。在這些骨架中，連接分子發(fā)生扭折，稀土離子裸露，這增大了污染物分子被圈閉在此結(jié)構(gòu)內(nèi)的可能性。為了探尋發(fā)生這種現(xiàn)象的原因，研究人員將中子散射與Ｘ射線散射實驗相結(jié)合，測繪了該材料的原子結(jié)構(gòu)。

他們使用X射線找到重金屬元素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些元素形成了最終結(jié)構(gòu)的輪廓。另外，為了更清楚地了解有機(jī)分子是如何排列的，他們通過一臺被稱為散裂中子源（SNS）的儀器用中子轟擊這些材料，以幫助他們追溯在金屬離子簇之間形成分子鍵的氫、碳和氧原子的位置。

缺陷的影響

通過實驗，該研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，與無缺陷的材料相比，有缺陷的材料的實際合成速度更快。他們也發(fā)現(xiàn)，調(diào)整材料的結(jié)晶溫度和結(jié)晶時間可以有意地誘導(dǎo)缺陷的形成。然后，該團(tuán)隊利用從實驗中獲得的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)模擬，了解每種有缺陷和無缺陷的材料如何與有毒氣體二氧化氮和二氧化硫相互作用。

該研究的通信作者Tina Nenoff表示，“雖然這些新的認(rèn)識仍處于初步研究階段，但是這些認(rèn)識對未來的開發(fā)應(yīng)用可能將產(chǎn)生重大影響。關(guān)于這些材料是如何形成的，我們已獲得了新的信息。我們可以應(yīng)用這些信息更有針對性地控制和設(shè)計金屬-有機(jī)骨架材料。另外，我們建立了一種評價大型系列金屬-有機(jī)骨架材料的全面方法，這種方法將幫助我們更快速地尋找到新的候選材料并利用有效技術(shù)開發(fā)這些材料?！?/p>

備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。