Une équipe internationale de scientifiques, dirigé par l'Université de Manchester, a développé une charpente métallo-organique, ou MOF, matériau qui offre une sélection, capacité entièrement réversible et reproductible pour capturer un polluant atmosphérique toxique, dioxyde d'azote, produite par la combustion de diesel et d'autres combustibles fossiles.

Le matériau ne nécessite alors que de l'eau et de l'air pour convertir le gaz capturé en acide nitrique à usage industriel. Le mécanisme de l'absorption record de gaz par le MOF, caractérisé par des chercheurs utilisant la diffusion de neutrons au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, pourrait conduire à des technologies de lutte contre la pollution atmosphérique et d'assainissement qui éliminent de manière rentable le polluant de l'air et le convertissent en acide nitrique à utiliser dans la production d'engrais, propulseur de fusée, nylon et autres produits.

Comme indiqué dans Chimie de la nature , le matériel, désigné par MFM-520, peut capturer le dioxyde d'azote atmosphérique à des pressions et températures ambiantes, même à de faibles concentrations et pendant l'écoulement, en présence d'humidité, dioxyde de soufre et dioxyde de carbone. Malgré la nature très réactive du polluant, Le MFM-520 s'est avéré capable d'être entièrement régénéré plusieurs fois par dégazage ou par traitement avec de l'eau de l'air, un processus qui convertit également le dioxyde d'azote en acide nitrique.

"A notre connaissance, c'est le premier MOF à à la fois capturer et convertir un toxique, polluant atmosphérique gazeux en un produit industriel utile, " dit Sihai Yang, l'un des principaux auteurs de l'étude et maître de conférences au département de chimie de Manchester. "Il est également intéressant de noter que le taux le plus élevé d'absorption de NO2 par ce matériau se produit à environ 113 degrés Fahrenheit (45 degrés centigrades), qui concerne la température des pots d'échappement des automobiles."

Martin Schröder, un auteur principal de l'étude, professeur de chimie et vice-président de l'Université de Manchester, mentionné, "Le marché mondial de l'acide nitrique en 2016 était de 2,5 milliards de dollars US, les fabricants de cette technologie MOF ont donc beaucoup de potentiel pour récupérer leurs coûts et tirer profit de la production d'acide nitrique qui en résulte. D'autant plus que les seuls additifs nécessaires sont l'eau et l'air."

Dans le cadre de la recherche, les scientifiques ont utilisé la spectroscopie neutronique et des techniques informatiques à l'ORNL pour caractériser avec précision comment le MFM-520 capture les molécules de dioxyde d'azote.

"Ce projet est un excellent exemple d'utilisation de la science neutronique pour étudier la structure et l'activité des molécules à l'intérieur des matériaux poreux, " a déclaré Timmy Ramirez-Cuesta, co-auteur et coordinateur de l'initiative chimie et catalyse à la direction des sciences neutroniques de l'ORNL. "Grâce au pouvoir pénétrant des neutrons, nous avons suivi comment les molécules de dioxyde d'azote s'arrangeaient et se déplaçaient à l'intérieur des pores du matériau, et étudié les effets qu'ils avaient sur l'ensemble de la structure MOF. Ce qui a rendu ces observations possibles, c'est le spectromètre vibrationnel VISION de la source de neutrons de spallation de l'ORNL, qui a la sensibilité et la résolution les plus élevées de son genre au monde."

La capacité des neutrons à pénétrer le métal solide pour sonder les interactions entre les molécules de dioxyde d'azote et le MFM-520 aide les chercheurs à valider un modèle informatique des processus de séparation et de conversion des gaz MOF. Un tel modèle pourrait aider à prédire comment produire et adapter d'autres matériaux pour capturer une variété de gaz différents.

"La spectroscopie vibrationnelle neutronique est un outil unique pour étudier les mécanismes d'adsorption et de réaction et les interactions invité-hôte au niveau moléculaire, surtout lorsqu'il est combiné avec la simulation informatique, " a déclaré Yongqiang Cheng, un scientifique et co-auteur de la diffusion des neutrons de l'ORNL. "L'interaction entre les molécules de dioxyde d'azote et le MOF provoque des changements extrêmement faibles dans leur comportement vibrationnel. De tels changements ne peuvent être reconnus que lorsque le modèle informatique les prédit avec précision."

"La caractérisation du mécanisme responsable de la haute, l'absorption rapide du NO2 éclairera les futures conceptions de matériaux améliorés pour capturer les polluants atmosphériques, " a déclaré Jiangnan Li, premier auteur et doctorant à l'Université de Manchester. "Le post-traitement du dioxyde d'azote capturé évite la nécessité de séquestrer ou de traiter le gaz et fournit une orientation future pour les technologies de l'air pur."

La capture des gaz à effet de serre et des gaz toxiques de l'atmosphère a été un défi en raison de leurs concentrations relativement faibles et parce que l'eau dans l'air est en concurrence et peut souvent affecter négativement la séparation des molécules de gaz ciblées des autres gaz. Un autre problème consistait à trouver un moyen pratique de filtrer et de convertir les gaz capturés en gaz utiles, produits à valeur ajoutée. Le matériau MFM-520 MOF offre des solutions à bon nombre de ces défis.

Co-auteurs supplémentaires de l'article, intitulé "Capture du dioxyde d'azote et conversion en acide nitrique dans un cadre organométallique poreux, " inclure Xue Han, Xinran Zhang, Alena M. Sheveleva, Floriana Thon, Eric J. L. Mcinnes, Laura J. McCormick McPherson, Simon J. Teat et Luke L. Daemen.