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稀土金属可能有助于解决酸性气体污染问题
发表日期:2022/6/23 9:30:05 兰格钢铁
    

使用稀土金属制成的材料可能是解决二氧化氮和二氧化硫污染的关键,这两种气体导致酸雨的形成。

通过利用一项稀土元素研究基金,美国橡树岭国家实验室、桑迪亚国家实验室和田纳西大学诺克斯维尔分校已经着手寻找金属-有机骨架材料(MOF)。这些材料能有效地检测和吸附酸性气体。

在ACS Applied Materials and Interface期刊发表的一篇论文中,科学家解释道,这种方法由多种技术解决方案组成。这些解决方案旨在过滤空气,从排放废气中捕获或吸附有毒气体,在某些情况下,被捕获的分子也可以被储存和重新利用。

本质上,金属-有机骨架材料是通过有机分子将金属原子相互连接形成的一种显微基质,其结构就像是由相互连接的微小金属笼子组成的重复图案。这些金属笼子像海绵一样,能将气体分子粘附或吸附至其表面。

稀土金属-有机骨架材料领域的研究人员通过计算机模拟以及中子散射与X射线散射试验相结合帮助其确定合成这类材料的最佳条件。在这一过程中,他们也发现在金属-有机骨架材料中存在的一个有趣的缺陷,并了解了这种缺陷的重要细节。据他们称,可以利用这些缺陷设计和制造排放物捕获装置或有毒气体危险浓度检测装置。

该研究的第一作者Susan Henkelis在一项媒体声明中表示,“在灵活性和化学性质方面,以及在为材料结构进行量身设计方面,金属-有机骨架材料确实具有新颖性。如果替换有机分子,则可以调整骨架结构,从而能捕获或吸附不同的气体。通常,酸性气体来源于燃烧过程。因此,这项研究成果可以用于研制气体吸附装置,以帮助控制炼油厂和化石燃料发电厂等大型工业设施的废气排放量。”

认识金属-有机骨架材料

据Henkelis及其同事称,在这项研究中,首先要了解金属-有机骨架材料中原子键是如何形成的以及原子是如何排列的。

理想的情况是,在合成的每个金属-有机骨架材料骨架内的笼子形成一个立方体。每一个角落包含由6个稀土金属离子形成的簇,在立方体的中心存在另一个离子簇。每个簇中的每对金属离子通过一个单一的链接或链接分子与另一个簇中的另一对离子建立连接。

但是,有时会出现结构缺陷,在铕离子形成的金属-有机骨架材料骨架中尤其如此。在这些骨架中,连接分子发生扭折,稀土离子裸露,这增大了污染物分子被圈闭在此结构内的可能性。为了探寻发生这种现象的原因,研究人员将中子散射与X射线散射实验相结合,测绘了该材料的原子结构。

他们使用X射线找到重金属元素,结果发现,这些元素形成了最终结构的轮廓。另外,为了更清楚地了解有机分子是如何排列的,他们通过一台被称为散裂中子源(SNS)的仪器用中子轰击这些材料,以帮助他们追溯在金属离子簇之间形成分子键的氢、碳和氧原子的位置。

缺陷的影响

通过实验,该研究团队发现,与无缺陷的材料相比,有缺陷的材料的实际合成速度更快。他们也发现,调整材料的结晶温度和结晶时间可以有意地诱导缺陷的形成。然后,该团队利用从实验中获得的结构数据进行计算机模拟,了解每种有缺陷和无缺陷的材料如何与有毒气体二氧化氮和二氧化硫相互作用。

该研究的通信作者Tina Nenoff表示,“虽然这些新的认识仍处于初步研究阶段,但是这些认识对未来的开发应用可能将产生重大影响。关于这些材料是如何形成的,我们已获得了新的信息。我们可以应用这些信息更有针对性地控制和设计金属-有机骨架材料。另外,我们建立了一种评价大型系列金属-有机骨架材料的全面方法,这种方法将帮助我们更快速地寻找到新的候选材料并利用有效技术开发这些材料。”

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