鑭系稀土元素有望解決酸性氣體污染問題

由鑭系家族稀土元素（REEs）製成的材料可能是解決造成酸雨的二氧化氮（NO₂）和二氧化硫（SO₂）污染的關鍵。橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）、桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratory）和田納西大學諾克斯維爾分校（the University of Tennessee, Knoxville）的研究人員以REEs為基礎，建立了尋找金屬有機框架（MOFs），有效地檢測和捕集酸性氣體。

在ACS Applied Materials and Interfaces上發表的一篇名為“Kinetically Controlled Linker Binding in Rare Earth-2,5-Dihydroxyterepthalic Acid Metal–Organic Frameworks and Its Predicted Effects on Acid Gas Adsorption”的論文中，科學家們解釋說，該方法包括各種技術解決方案，旨在通過捕捉或捕獲排放的有毒氣體來過濾空氣，在某些情況下，捕獲的分子還可以被儲存和重新使用。

（圖片來源：Susan E. Henkelis/ACS Appl. Mater. Interfaces）

MOFs本質上是一種金屬原子的微觀矩陣，通過有機分子相互連接，形成微小的、相互連接的金屬籠的重複模式。它們的作用就像一塊海綿，可以將分子粘附或吸收到其表面。

研究人員使用電腦類比以及中子和X射線散射實驗的組合來説明他們確定合成這些材料的最佳條件。在這個過程中，他們還發現了關於在MOFs中形成的一種有趣缺陷的重要細節，他們說這種缺陷在建造捕捉排放物或感應危險水準的有毒氣體的設備中可能很有用。

“金屬有機框架在其靈活性、化學性及如何定制其結構方面確實很新穎。”該研究的主要作者Susan Henkelis在一份媒體聲明中說：“如果你換掉有機分子，你可以調整結構以針對不同氣體。酸性氣體通常來自燃燒過程，因此這項研究在開發幫助限制大規模工業設施（如煉油廠和以化石燃料為基礎的發電廠）排放的設備方面可能是有用的。”

據Henkelis和她的同事說，研究的第一步是瞭解MOFs中的原子鍵如何形成以及原子如何排列。理想情況下，每個合成的MOF內部的籠子形成一個立方體。每個角都包含一個由六個稀土元素離子組成的簇，立方體的中心是另一個簇。簇中的每一對金屬離子通過一個連接或連接分子與另一個簇中的另一對金屬離子相連接。

但有時會出現缺陷，特別是在由銪離子製成的MOFs中，連接會扭結並暴露出稀土離子，這增加了污染物分子被困在該結構中的可能性。為了找出這種情況發生的原因，研究人員使用中子和X射線散射實驗的組合來繪製材料的原子結構。

（圖片來源：Susan E. Henkelis/ACS Appl. Mater. Interfaces）

他們用X射線找到重金屬元素，這提供了整體結構的輪廓。而且，為了更好地瞭解有機分子是如何排列的，他們用一種叫做濺射中子源（SNS）的儀器轟擊這些材料，這有助於他們跟蹤氫、碳和氧原子的位置，這些原子在金屬離子簇之間形成分子鍵。

從實驗中，該團隊能夠確定，有缺陷的材料實際上比無缺陷的同類材料形成得更快。他們還發現，可以通過調整溫度和晶體材料生長所需的時間來誘發缺陷。接著，該研究團隊利用從實驗中獲得的結構資料進行電腦類比，以觀察每種材料—有缺陷和無缺陷的結構如何與NO₂和SO₂發生作用。

該研究的通訊作者Tina Nenoff說：“雖然這是一項基礎研究，但利用稀土元素解決酸性氣體污染可能會在未來產生很大的影響。我們可以鑒於此項研究來控制和設計具有更多特異性的MOFs，與此同時，我們開發了一種評估大系列MOFs的綜合方法，這將有助於加快尋找新的候選材料及開發它們的步伐。”

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