镧系稀土元素有望解决酸性气体污染问题

由镧系家族稀土元素（REEs）制成的材料可能是解决造成酸雨的二氧化氮（NO₂）和二氧化硫（SO₂）污染的关键。橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）、桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratory）和田纳西大学诺克斯维尔分校（the University of Tennessee, Knoxville）的研究人员以REEs为基础，建立了寻找金属有机框架（MOFs），有效地检测和捕集酸性气体。

在ACS Applied Materials and Interfaces上发表的一篇名为“Kinetically Controlled Linker Binding in Rare Earth-2,5-Dihydroxyterepthalic Acid Metal–Organic Frameworks and Its Predicted Effects on Acid Gas Adsorption”的论文中，科学家们解释说，该方法包括各种技术解决方案，旨在通过捕捉或捕获排放的有毒气体来过滤空气，在某些情况下，捕获的分子还可以被储存和重新使用。

（图片来源：Susan E. Henkelis/ACS Appl. Mater. Interfaces）

MOFs本质上是一种金属原子的微观矩阵，通过有机分子相互连接，形成微小的、相互连接的金属笼的重复模式。它们的作用就像一块海绵，可以将分子粘附或吸收到其表面。

研究人员使用计算机模拟以及中子和X射线散射实验的组合来帮助他们确定合成这些材料的最佳条件。在这个过程中，他们还发现了关于在MOFs中形成的一种有趣缺陷的重要细节，他们说这种缺陷在建造捕捉排放物或感应危险水平的有毒气体的设备中可能很有用。

“金属有机框架在其灵活性、化学性及如何定制其结构方面确实很新颖。”该研究的主要作者Susan Henkelis在一份媒体声明中说：“如果你换掉有机分子，你可以调整结构以针对不同气体。酸性气体通常来自燃烧过程，因此这项研究在开发帮助限制大规模工业设施（如炼油厂和以化石燃料为基础的发电厂）排放的设备方面可能是有用的。”

据Henkelis和她的同事说，研究的第一步是了解MOFs中的原子键如何形成以及原子如何排列。理想情况下，每个合成的MOF内部的笼子形成一个立方体。每个角都包含一个由六个稀土元素离子组成的簇，立方体的中心是另一个簇。簇中的每一对金属离子通过一个连接或连接分子与另一个簇中的另一对金属离子相连接。

但有时会出现缺陷，特别是在由铕离子制成的MOFs中，连接会扭结并暴露出稀土离子，这增加了污染物分子被困在该结构中的可能性。为了找出这种情况发生的原因，研究人员使用中子和X射线散射实验的组合来绘制材料的原子结构。

（图片来源：Susan E. Henkelis/ACS Appl. Mater. Interfaces）

他们用X射线找到重金属元素，这提供了整体结构的轮廓。而且，为了更好地了解有机分子是如何排列的，他们用一种叫做溅射中子源（SNS）的仪器轰击这些材料，这有助于他们跟踪氢、碳和氧原子的位置，这些原子在金属离子簇之间形成分子键。

从实验中，该团队能够确定，有缺陷的材料实际上比无缺陷的同类材料形成得更快。他们还发现，可以通过调整温度和晶体材料生长所需的时间来诱发缺陷。接着，该研究团队利用从实验中获得的结构数据进行计算机模拟，以观察每种材料—有缺陷和无缺陷的结构如何与NO₂和SO₂发生作用。

该研究的通讯作者Tina Nenoff说：“虽然这是一项基础研究，但利用稀土元素解决酸性气体污染可能会在未来产生很大的影响。我们可以鉴于此项研究来控制和设计具有更多特异性的MOFs，与此同时，我们开发了一种评估大系列MOFs的综合方法，这将有助于加快寻找新的候选材料及开发它们的步伐。”

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