Tecnología verde para un material que captura dióxido de nitrógeno de la atmósfera

Un nuevo material de estructura orgánica de metal (MOF) exhibe una capacidad selectiva, reversible y repetible para eliminar dióxido de nitrógeno de la atmósfera en condiciones ambientales.

Este descubrimiento de la Universidad de Manchester, confirmado por investigadores que usan dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, podría conducir a tecnologías de filtración de aire que capturen y conviertan de manera rentable grandes cantidades de gases específicos, incluyendo dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero, para facilitar su captura a largo plazo para ayudar a mitigar la contaminación del aire y el calentamiento global.

Tecnología verde para un material que captura dióxido de nitrógeno de la atmósfera

Como informan en un artículo publicado en 'Nature Materials', el material denominado MFM-300 (Al) mostró la primera captura reversible y selectiva de dióxido de nitrógeno a presiones y temperaturas ambiente, a bajas concentraciones, en presencia de humedad, dióxido de azufre y dióxido de carbono. A pesar de la naturaleza altamente reactiva del dióxido de nitrógeno, el material MFM-300 (Al) demostró ser extremadamente robusto, demostrando la capacidad de regenerarse completamente, o desgasificarse, múltiples veces sin pérdida de cristalinidad o porosidad.

"Este material es el primer ejemplo de un marco orgánico de metal que exhibe una capacidad altamente selectiva y totalmente reversible para la separación repetida de dióxido de nitrógeno del aire, incluso en presencia de agua", afirma en un comunicado Sihai Yang, uno de los autores principales del estudio y un profesor de Química Inorgánica en la Escuela de Química de Manchester.

El profesor Martin Schröder, otro autor principal de Química en Manchester, comenta: "Otros estudios de diferentes materiales porosos a menudo encontraron que el rendimiento se degradaba en ciclos posteriores por el dióxido de nitrógeno, o que el proceso de regeneración era demasiado difícil y costoso".

Este descubrimiento de la Universidad de Manchester, confirmado por investigadores que usan dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía.

Técnicas de dispersión de neutrones

Como parte de la investigación, los científicos utilizaron técnicas de dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía para confirmar y caracterizar con precisión cómo MFM-300 (Al) captura las moléculas de dióxido de nitrógeno.

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"Los neutrones pueden penetrar fácilmente en materiales densos y son sensibles a elementos más ligeros, como los átomos de hidrógeno dentro del MFM, lo que nos permitió observar cómo las moléculas de dióxido de nitrógeno están confinadas dentro de los poros de tamaño nanométrico", afirma Timmy Ramirez-Cuesta, coautor y coordinador de la Iniciativa de Química y Catálisis en la Dirección de Ciencias de Neutrones de ORNL.

"Nos beneficiamos de la extremadamente alta sensibilidad y los datos cuantitativos proporcionados por el instrumento de espectroscopía vibratoria VISION en la línea de luz 16-B de ORNL en la fuente de neutrones por espalación, que utiliza neutrones en lugar de fotones para sondear las vibraciones moleculares", añade.

La capacidad de observar directamente cómo y dónde el MFM-300 (Al) atrapa el dióxido de nitrógeno está ayudando a los investigadores a validar un modelo computarizado del proceso de separación de gases MOF, que podría ayudar a identificar cómo producir y adaptar otros materiales para capturar una variedad de gases diferentes.

"El modelado y la simulación computacional desempeñaron papeles críticos en la interpretación de los datos de dispersión de neutrones al ayudarnos a conectar cambios sutiles en los espectros vibratorios a las interacciones entre MFM-300 y las moléculas atrapadas", dice Yongqiang Cheng, científico y coautor de dispersión de neutrones en ORNL. "Nuestro objetivo es integrar el modelo con técnicas experimentales para ofrecer resultados que de otro modo serían difíciles de lograr", añade.

La captura de gases tóxicos y de invernadero de la atmósfera ha sido un desafío desde hace mucho tiempo, debido a sus concentraciones relativamente bajas y la presencia de humedad en el aire, lo que puede afectar negativamente a la separación de las moléculas de gas objetivo de otros gases.

Otro desafío ha sido encontrar una forma práctica de liberar un gas capturado para el secuestro a largo plazo, como depósitos de petróleo agotados en el subsuelo o formaciones rocosas llenas de solución salina. Los MOF ofrecen soluciones a muchos de estos desafíos, por lo que son objeto de recientes investigaciones científicas.

El equipo de investigación involucró a científicos de instituciones en cinco naciones, incluyendo la Universidad de Nottingham y la Universidad de Newcastle upon Tyne, en Reino Unido; la Universidad de Nottingham Ningbo China, la Universidad de Pekín, en China; el Centro Internacional de Tomografía SB RAS y la Universidad Estatal de Novosibirsk, en Rusia, y el Fondo Europeo de Radiación Sincrotrón en Grenoble.

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