Dioxyde d'azote et dioxyde de soufre (NO₂ et SO₂ ) sont des gaz toxiques nocifs pour l'environnement et la santé humaine. Une fois entrés dans l'atmosphère, ils peuvent parcourir des centaines de kilomètres, polluant l'air et provoquant des pluies acides qui, à leur tour, endommagent les bâtiments, les arbres et les cultures. L'exposition aux gaz toxiques peut également entraîner des infections respiratoires, de l'asthme et des maladies pulmonaires chroniques.

Pour ces raisons, les gaz dits acides figurent en bonne place sur la liste des polluants ciblés par la Clean Air Act, qui oblige l'Environmental Protection Agency à réglementer et à fixer des limites sur le NO₂ et SO₂ émissions dans le but d'améliorer la qualité de l'air et de prévenir les maladies généralisées.

Les scientifiques développent des matériaux capables de détecter et de piéger les gaz acides, un effort parmi certaines des principales stratégies innovantes pour atténuer la pollution de l'air et lutter contre le changement climatique. L'approche consiste en différentes solutions technologiques conçues pour filtrer l'air en captant ou en piégeant les gaz toxiques des émissions. Dans certains cas, les molécules capturées peuvent également être stockées et réutilisées. Le dioxyde de carbone, par exemple, peut être réutilisé dans certaines applications pour favoriser la photosynthèse et la croissance des plantes.

Des matériaux appelés cadres organométalliques, ou MOF, pourraient faire passer la séquestration des gaz acides à un niveau supérieur, ce qui en fait une approche plus viable et pratique pour améliorer la qualité de l'air à l'échelle mondiale. Les MOF sont essentiellement une matrice microscopique d'atomes métalliques attachés les uns aux autres par des molécules organiques qui forment un motif répétitif de minuscules cages métalliques interconnectées. Ils agissent comme une éponge qui peut adhérer ou absorber des molécules à sa surface. En fait, les MOF sont si hautement poreux que la quantité qui tiendrait dans la poche de quelqu'un, si elle était étirée, couvrirait la surface de tout un terrain de football.

Dans une étude récente publiée dans la revue ACS Applied Materials and Interfaces , chercheurs à la recherche de matériaux candidats pour remédier au NO₂ et SO₂ ont étudié une série de MOF pouvant être fabriqués à partir de toute la famille des métaux des terres rares. Ils ont utilisé des simulations informatiques et une combinaison d'expériences de diffusion de neutrons et de rayons X pour les aider à déterminer les conditions optimales de synthèse des matériaux. Au cours du processus, ils ont également découvert des détails importants sur un défaut intéressant qui se forme dans les MOF et qui, selon eux, pourraient être utiles dans la construction d'appareils pour capturer les émissions ou détecter des niveaux dangereux de gaz toxiques.

"Les cadres organométalliques sont vraiment nouveaux dans leur flexibilité, leur chimie et la façon dont vous pouvez adapter leur structure. Si vous échangez des molécules organiques, vous pouvez ajuster la structure pour cibler différents gaz", a déclaré Susan Henkelis du Sandia National Laboratory, responsable de l'étude. auteur. "Les gaz acides proviennent généralement des processus de combustion, donc cette recherche pourrait être utile dans le développement de dispositifs pour aider à limiter les émissions des installations industrielles à grande échelle comme les raffineries de pétrole et les centrales électriques à combustibles fossiles."

L'équipe comprend des chercheurs des laboratoires nationaux Sandia et Oak Ridge (ORNL) du Département de l'énergie (DOE) et de l'Université du Tennessee, Knoxville (UTK). Les chercheurs font partie du Center for Understanding and Control of Acid Gas-Induced Evolution of Materials, ou UNCAGE-ME, un programme développé spécifiquement pour comprendre les interactions entre les gaz acides et les matériaux solides. L'UNCAGE-ME fait partie d'un effort de recherche plus large soutenu par le programme Energy Frontier Research Center (EFRC) du DOE, qui rassemble les capacités de recherche des universités et des laboratoires nationaux pour fournir des informations à l'échelle atomique sur la résolution de certains des plus grands défis énergétiques mondiaux qui peuvent ne peut être atteint que grâce à de grandes collaborations.

"L'objectif scientifique fondamental de ce travail visait à comprendre comment la chimie et le processus de synthèse créent ces défauts, car nous voulons savoir comment les défauts peuvent être contrôlés et quel est leur effet sur l'adsorption des gaz acides", a déclaré Peter Metz, un chercheur postdoctoral à l'UTK qui a travaillé en sciences neutroniques à l'ORNL pendant la durée de l'étude. "Pour ce faire, nous devons comprendre comment se forment les liaisons atomiques dans les MOF et comment les atomes sont disposés."

Idéalement, les cages à l'intérieur de chaque MOF synthétisé forment un cube. Chaque coin contient un groupe de six ions métalliques de terres rares avec un autre groupe au centre du cube. Chaque paire d'ions métalliques dans le cluster se connecte à une autre paire dans un autre cluster par un lien unique ou une molécule de liaison.

Mais parfois, un défaut se produit, en particulier dans les MOF constitués d'ions europium, où le lieur se plie et expose l'ion de terre rare, ce qui augmente la probabilité qu'une molécule polluante soit piégée dans la structure.

Pour découvrir pourquoi cela se produit, les chercheurs ont utilisé une combinaison d'expériences de diffusion de neutrons et de rayons X pour cartographier les structures atomiques des matériaux.

Ils ont utilisé des rayons X pour trouver les éléments métalliques lourds, qui ont fourni un aperçu de la structure globale. Et, pour mieux comprendre comment les molécules organiques sont disposées, ils ont bombardé les matériaux avec des neutrons à l'aide de l'instrument POWGEN de la source de neutrons à spallation (SNS) de l'ORNL, ce qui les a aidés à suivre les positions des atomes d'hydrogène, de carbone et d'oxygène qui forment le système moléculaire. liaisons entre les amas d'ions métalliques.

À partir des expériences, l'équipe a pu déterminer que les matériaux présentant des défauts se formaient en fait plus rapidement que leurs homologues sans défaut. Ils ont également découvert que les défauts pouvaient être induits intentionnellement en ajustant les températures et le temps nécessaire à la croissance des matériaux cristallins.

L'équipe a ensuite utilisé les données structurelles obtenues à partir des expériences pour exécuter des simulations informatiques afin de voir comment chacun des matériaux, avec et sans les défauts, interagissait avec les gaz toxiques NO₂ et SO₂ .

"Bien que ces nouvelles connaissances concernent la recherche fondamentale, elles pourraient avoir un impact important sur la route", a déclaré Tina Nenoff de Sandia, auteur correspondant de l'étude. "Nous avons appris de nouvelles informations sur la formation de ces matériaux, que nous pouvons utiliser pour contrôler et concevoir des MOF avec plus de spécificité. De plus, nous avons développé une approche complète pour évaluer de grandes séries de MOF, ce qui aidera à accélérer le rythme de recherche de nouveaux matériaux candidats. et les développer dans des technologies utiles." + Explorer plus loin

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