稀土金屬可能有助于解決酸性氣體污染問(wèn)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(guò)利用一項(xiàng)稀土元素研究基金，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(cè)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(guò)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(chǔ)存和重新利用。

本質(zhì)上，金屬-有機(jī)骨架材料是通過(guò)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(guò)計(jì)算機(jī)模擬以及中子散射與X射線(xiàn)散射試驗(yàn)相結(jié)合幫助其確定合成這類(lèi)材料的最佳條件。在這一過(guò)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(gè)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(chēng)，可以利用這些缺陷設(shè)計(jì)和制造排放物捕獲裝置或有毒氣體危險(xiǎn)濃度檢測(cè)裝置。

該研究的第一作者Susan Henkelis在一項(xiàng)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(jì)方面，金屬-有機(jī)骨架材料確實(shí)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(lái)源于燃燒過(guò)程。因此，這項(xiàng)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(shí)金屬-有機(jī)骨架材料

據(jù)Henkelis及其同事稱(chēng)，在這項(xiàng)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(gè)金屬-有機(jī)骨架材料骨架內(nèi)的籠子形成一個(gè)立方體。每一個(gè)角落包含由6個(gè)稀土金屬離子形成的簇，在立方體的中心存在另一個(gè)離子簇。每個(gè)簇中的每對(duì)金屬離子通過(guò)一個(gè)單一的鏈接或鏈接分子與另一個(gè)簇中的另一對(duì)離子建立連接。

但是，有時(shí)會(huì)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(xiàn)散射實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，測(cè)繪了該材料的原子結(jié)構(gòu)。

他們使用X射線(xiàn)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(guò)一臺(tái)被稱(chēng)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(guò)實(shí)驗(yàn)，該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，與無(wú)缺陷的材料相比，有缺陷的材料的實(shí)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(shí)間可以有意地誘導(dǎo)缺陷的形成。然后，該團(tuán)隊(duì)利用從實(shí)驗(yàn)中獲得的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，了解每種有缺陷和無(wú)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(shí)仍處于初步研究階段，但是這些認(rèn)識(shí)對(duì)未來(lái)的開(kāi)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(duì)性地控制和設(shè)計(jì)金屬-有機(jī)骨架材料。另外，我們建立了一種評(píng)價(jià)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(kāi)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)。