【催化】AM:利用MOF材料向自然借智慧——室温下催化分解氮氧化物污染物

学术   2024-09-11 08:31   中国  

科学家们发现了一种能在室温下将氮氧化物(通常由汽油和柴油燃烧产生)转化为氧气和氮气的新型可持续材料。

法国卡昂大学下诺曼底分校(University of Caen Lower Normandy)化学教授马尔科·达图里(Marco Daturi)表示,虽然现代汽油车的排气系统配备了三元催化器(three-way catalytic converters),有助于将一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物(NOx)等污染物分解为危害较小的气体,但柴油发动机的问题更为复杂。他说:“多年来,我们的策略一直是改变燃烧参数以抑制氮氧化物排放,但代价是会产生颗粒污染物。”

从柴油废气中去除氮氧化物(包括NONO2)的标准技术是稀燃NOx捕集器(lean NOxtrap)搭配特定催化剂。虽然这些装置能有效分解NOx,但它们价格昂贵、结构复杂,且性能极易受到温度变化和大气中其他气体(如氧气和水蒸汽)的影响。

达图里表示,开发能够达到最新NOx排放限制的高效催化剂是当务之急。

为了找到一种既能超越现有技术又能保持可持续性的催化剂,研究人员决定从大自然中汲取灵感。“自然界数百万年的进化远比几名科学家要高效得多,”达图里评论道。

模仿细菌中的酶

研究团队的催化剂设计灵感来自从细菌中发现的NO还原酶,能将NO转化为NO2。这种酶由土壤中的细菌产生,维持着地球氮循环平衡。然而,达图里表示,使用生物体作为酶的来源在工业上并不实用。

“我们试图验证是否可能设计一种具有与生物酶相同的功能,且是固体、耐用的材料,”达图里说。

达图里的研究聚焦于金属有机框架化合物(MOF)。这是一类具有多种可能结构和成分的三维多孔聚合物。除催化剂外,多样的MOF材料还被用于吸附染料、输送药物和捕获二氧化碳等应用。

达图里与法国国家科学研究中心(CNRS)研究主任克里斯蒂安·塞尔(Christian Serre)及其合作者发现,MOF具有模仿NO还原酶活性结构的潜力。该活性结构包含两个与氨基酸配位的铁离子。

通过计算模拟和光谱学表征,他们发现一种铁基MOF材料表现出与天然酶催化过程非常相似的性质。塞尔强调,合成这种铁基MOF催化剂的方法简单、成本低廉,并可通过多种方式实现。
他表示,最简单的方法是将一种含铁盐与有机化合物在100°C以下的水中混合两到三天。然后将产物过滤、洗涤,并在室温下干燥过夜即可。

MIL-100(Fe)催化剂诞生

这种名为MIL-100(Fe)的催化剂具有两个不同的反应位点:一个由氧原子桥接的铁(II)离子和一个铁(III)离子。这两个活性位点都能吸附NOx,但只有铁(III)能将NOx转化为NO2,自身在该过程中被还原为铁(II)离子。

“在低温下,当NOxNO2彼此接近时,它们很容易形成N2O3。该物质在水中不稳定,会自动分解为NO2O2,”达图里解释说。

最终NO2将新形成的铁(II)离子氧化为铁(III)离子,自身还原为N2。随后,重生的铁(III)离子活性位点将在下一个催化循环中发挥作用。

“空气中的氧气和水不再是分解NOx的问题——相反,它们是该过程的必要因素,”达图里表示。

他补充说,由于他们的方法在技术和成本层面上尚欠完善,他们的研究成果并非为了取代现有的NOx去除技术,但可予以补充辅助。

除移除NOx外,MIL-100(Fe)催化剂还可以其孔体积大和亲水性强的特点而适用除湿与节能冷却。

“我们已研发出适合大规模工业化生产MIL-100(Fe)的绿色环保技术。”塞尔提到,“我们也已联系了潜在的工业合作方和决策者,以促成这一技术的推广。”

以上内容翻译自Advanced Science News网站,原文标题为“Catalyst removes NOpollutants at room temperature”。翻译稿校对、润色、审核:刘田宇。

论文信息:

Room Temperature Reduction of Nitrogen Oxide on Iron Metal–Organic Frameworks

Marco Daturi*, Vanessa Blasin-Aubé, Ji Wong Yoon, Philippe Bazin, Alexandre Vimont, Jong-San Chang*, Young Kyu Hwang, You-Kyong Seo, Seunghun Jang, Hyunju Chang, Stefan Wuttke, Patricia Horcajada, Masaaki Haneda, Christian Serre*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202403053

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