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「纳米 材料」纳米技术新突破—利用大气中的碳制造有用的化学品

「纳米 材料」纳米技术新突破—利用大气中的碳制造有用的化学品

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【摘要】:
匹兹堡大学研究人员使用一类称为金属有机框架“MOF”的纳米材料,可将二氧化碳从大气中吸收出来,并将其与氢原子结合,将其转化为有价值的化学品和燃料。燃烧化石燃料,如煤和天然气,将碳以二氧化碳的形式排放到大气中,而甲醇和其他有价值的燃料和化学品的生产则需要碳的供应。目前还没有一种经济上或能源上有效的方法从大气中收集二氧化碳并将其用于生产基于碳的化学物质,但是匹兹堡大学斯旺森工程学院的研究人员刚刚朝这个

匹兹堡大学研究人员使用一类称为金属有机框架“MOF”的纳米材料,可将二氧化碳从大气中吸收出来,并将其与氢原子结合,将其转化为有价值的化学品和燃料。

燃烧化石燃料,如煤和天然气,将碳以二氧化碳的形式排放到大气中,而甲醇和其他有价值的燃料和化学品的生产则需要碳的供应。目前还没有一种经济上或能源上有效的方法从大气中收集二氧化碳并将其用于生产基于碳的化学物质,但是匹兹堡大学斯旺森工程学院的研究人员刚刚朝这个方向迈出了重要的一步。该团队使用一类称为金属有机框架或“MOF”的纳米材料,可将二氧化碳从大气中吸收出来,并将其与氢原子结合,将其转化为有价值的化学品和燃料。

研究人员说:“我们的最终目标是找到一种低能量、低成本的MOF,能够从气体混合物中分离二氧化碳,并使其与氢气反应。我们发现一种可以轻微弯曲二氧化碳分子的MOF,使它们更容易与氢反应。”该团队在皇家化学学会期刊催化科学与技术(DOI:10.1039 / c8cy01018h)上发表了他们的研究内容。该杂志的封面上展示了他们的工作,展示了二氧化碳和氢分子进入MOF并以乙醇或甲酸(一种甲醇的化学前体)的形式离开的过程。为了使这个过程发生,分子必须克服一个叫做加氢屏障的苛刻的能量阈值。

研究人员解释说,“氢化屏障是将两个氢原子加入到二氧化碳中所需的能量,它将分子转化为甲酸。换句话说,它是将氢原子和二氧化碳分子结合在一起所需的能量,它们可以形成新的化合物。在我们之前的工作中,我们已经能够通过分裂两个氢原子来激活氢气,但我们直到现在才能激活二氧化碳。”

 

「纳米 材料」纳米技术新突破—利用大气中的碳制造有用的化学品

 

 

图:将包括CO 2(红色和灰色),N 2(蓝色)和H 2(白色)的气体混合物暴露于纳米多孔金属 - 有机骨架中。只有CO2和H2进入MOF。框架内的催化位点将二氧化碳转化为甲酸(红色,灰色和白色),甲醇的化学前体。

降低加氢屏障的关键是确定一种能够预活化二氧化碳的MOF。预激活基本上是通过将其置于正确的几何形状、正确的位置或正确的电子状态来为化学反应准备分子。他们在工作中模拟的MOF通过将二氧化碳置于一个稍微弯曲的几何结构中,从而实现了二氧化碳的预激活,从而能够接受进入的具有较低势垒的氢原子。这个新MOF的另一个关键特征是它在二氧化碳上选择性地与氢分子发生反应,这样活性中心就不会被二氧化碳所阻挡。“我们设计了一个MOF,在它的绑定站点周围有限的空间,这样就没有足够的空间来绑定二氧化碳,但是仍然有足够的空间来绑定H2,因为它要小得多。”

团队认为,这种能够捕获和转化二氧化碳的单一材料在经济上是可行的,并且会减少大气中的二氧化碳净含量。

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