Các nhà nghiên cứu vừa tìm ra cách thu giữ chất gây ô nhiễm từ dòng khí thải và chuyển thành hóa chất công nghiệp hữu ích chỉ sử dụng nước và không khí nhờ một vật liệu tiên tiến mới được phát triển bởi một nhóm các nhà khoa học quốc tế.
Nghiên cứu mới do các nhà nghiên cứu từ Đại học Manchester dẫn đầu, đã phát triển vật liệu khung kim loại hữu cơ (MOF) cung cấp khả năng chọn lọc, hoàn toàn có thể đảo ngược và có thể lặp lại để thu được nitơ dioxide (NO2), một chất gây ô nhiễm không khí độc hại được sản xuất đặc biệt bởi diesel và nhiên liệu sinh học. NO2 sau đó có thể dễ dàng chuyển đổi thành axit nitric, một ngành công nghiệp trị giá hàng tỷ đô la với các công dụng bao gồm sản xuất phân bón nông nghiệp cho cây trồng, tên lửa đẩy và nylon.
MOF là những cấu trúc ba chiều nhỏ xíu, xốp và có thể bẫy khí bên trong, hoạt động như những chiếc lồng. Các khoảng trống bên trong MOF có thể rất lớn đối với kích thước của chúng, chỉ một gram vật liệu có thể có diện tích bề mặt tương đương với một sân bóng đá.
Cấu trúc mô phỏng vật liệu MFM-520.
Công nghệ mới này có thể dẫn đến kiểm soát ô nhiễm không khí và giúp khắc phục tác động tiêu cực của nitơ dioxide đến môi trường.
Cơ chế hiệu quả cao trong MOF được phát triển bởi các nhà nghiên cứu sử dụng tán xạ neutron và nhiễu xạ tia X synchrotron tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng và Phòng thí nghiệm quốc gia Berkeley. Nhóm nghiên cứu cũng đã sử dụng Dịch vụ Quốc gia về Quang phổ cộng hưởng điện từ tại Manchester để nghiên cứu cơ chế hấp phụ NO2 trong vật liệu có tên MFM-520. MFM-520 có thể thu được nitơ dioxide ở áp suất và nhiệt độ môi trường xung quanh ngay cả ở nồng độ thấp và sự hiện diện của độ ẩm, sulfur dioxide và carbon dioxide. Mặc dù có tính chất phản ứng cao của chất gây ô nhiễm, nhưng MFM-520 đã chứng tỏ khả năng tái sinh hoàn toàn nhiều lần bằng cách khử khí hoặc xử lý bằng nước trong không khí -quá trình chuyển đổi nitơ dioxide thành axit nitric.
"Đây là MOF đầu tiên vừa thu giữ vừa chuyển đổi một chất gây ô nhiễm không khí độc hại thành một mặt hàng công nghiệp hữu ích. Điều thú vị là tốc độ hấp thụ NO2 cao nhất của MOF này xảy ra ở khoảng 45 độ C”, tiến sĩ Sihai Yang, tác giả chính và là giảng viên cao cấp tại Khoa Hóa học của Đại học Manchester nói.
Trong khi đó, giáo sư Martin Schröder, trưởng khoa Khoa học và Kỹ thuật tại Đại học Manchester, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: "Thị trường toàn cầu cho axit nitric năm 2016 là 2,5 tỷ USD, vì vậy có rất nhiều về tiềm năng cho các nhà sản xuất công nghệ MOF này thu lại chi phí và lợi nhuận của họ từ việc sản xuất axit nitric. Đặc biệt là vì phụ gia duy nhất cần có là nước và không khí”.
"Dự án này là một ví dụ tuyệt vời về việc sử dụng khoa học neutron để nghiên cứu cấu trúc và hoạt động của các phân tử bên trong vật liệu xốp. Nhờ sức mạnh xuyên thấu của neutron, chúng tôi đã theo dõi cách các phân tử nitơ dioxide sắp xếp và di chuyển bên trong lỗ chân lông của vật liệu và nghiên cứu các tác động của chúng trên toàn bộ cấu trúc MOF", Timmy Ramirez-Cuesta, đồng tác giả và điều phối viên cho sáng kiến hóa học và xúc tác tại Ban giám đốc khoa học neutron của ORNL cho biết.
Trước đây, thu giữ khí nhà kính và khí độc từ khí quyển là một thách thức vì nồng độ tương đối thấp và do nước trong không khí thường có thể ảnh hưởng tiêu cực đến việc tách các phân tử khí mục tiêu khỏi các khí khác. Một vấn đề khác là tìm ra một cách thiết thực để lọc và chuyển đổi khí thu được thành các sản phẩm có giá trị gia tăng.