Industrielle Chemikalien aus Luftschadstoffen

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Forschungsergebnis: MFM-520 wandelt NO2 in HNO3 um

Ein giftiger Schadstoff aus der Verbrennung fossiler Energieträger kann aus Abgasen abgefangen und dank eines von einem internationalen Team von Wissenschaftlern entwickelten, neuen Materials, mit Wasser und Luft in nützliche Industriechemikalien umgewandelt werden, teilt die Universität Manchester als Forschungserfolg mit. Dieses metallorganische Gerüstmaterial (engl. metal-organic framework MOF) bekam die Bezeichnung „Manchester Framework Material 520 – MFM-520“ und bietet eine selektive, vollständig reversible und wiederholbare Fähigkeit zur Abscheidung von Stickstoffdioxid (NO2), das vor allem bei der Verbrennung von Diesel und Biokraftstoffen entsteht. Das NO2 kann damit leicht in Salpetersäure umgewandelt werden, vielfach eingesetzte Substanz einer Multi-Milliarden-Euro-Industrie, unter anderem zur Herstellung landwirtschaftlicher Düngemittel für Nutzpflanzen, von Raketentreibmitteln und Nylon verwendet wird.

HKW Reuter West – pro Jahr: 2,5 Mio. t CO2, 2.000 t NOx, 57 t Feinstaub, 32 kg Arsenverbindungen, 13,6 kg Hg,- Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify

MOFs sind winzige dreidimensionale Strukturen, die porös sind und Gase im Inneren einfangen können, die wie Käfige wirken. Die inneren Leerräume in MOFs können aufgrund ihrer Größe enorm sein, nur ein Gramm Material kann eine Fläche haben, die einem Fußballplatz entspricht.

Der hocheffiziente Mechanismus in diesem neuen MOF wurde von Forschern charakterisiert, die Neutronenstreuung und Synchrotron-Röntgenbeugung am Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums bzw. Berkeley National Laboratory einsetzen. Das Team nutzte auch den National Service for Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy in Manchester, um den Mechanismus der Adsorption von NO2 zu untersuchen. Die Technologie könnte zur Luftreinhaltung und zur Behebung der negativen Auswirkungen von Stickstoffdioxid auf die Umwelt beitragen.

Wie in Nature Chemistry berichtet, kann das Material mit dem Namen MFM-520 Stickstoffdioxid bei Umgebungsdruck und -temperatur – auch bei niedrigen Konzentrationen und während des Gießvorgangs – in Gegenwart von Feuchtigkeit, Schwefeldioxid und Kohlendioxid abscheiden. Trotz der hohen Reaktivität des Schadstoffs erwies sich das MFM-520 als mehrfach vollständig regenerierbar durch Entgasung oder durch Behandlung mit Wasser in Luft – ein Prozess, der auch das Stickstoffdioxid in Salpetersäure umwandelt.
“Der Weltmarkt für Salpetersäure betrug 2016 2,5 Milliarden US-Dollar, so dass es für die Hersteller dieser MOF-Technologie ein großes Potenzial gibt, ihre Kosten zu decken und von der daraus resultierenden Salpetersäureproduktion zu profitieren. Zumal lediglich Wasser und Luft als Zusatzstoffe benötigt werden“, sagte Professor Martin Schröder, Vizepräsident der University of Manchester und Dekan der Fakultät für Ingenieur- und Naturwissenschaften.

„Dies ist das erste MOF, das einen giftigen, gasförmigen Luftschadstoff sowohl erfasst als auch in ein nützliches Industrieprodukt umwandelt“, sagte Sihai Yang, Hauptautor und leitender Dozent am Department of Chemistry der University of Manchester. „Es ist auch interessant, dass die höchste Rate der NO2-Aufnahme durch dieses MOF bei etwa 45 Grad Celsius liegt, was ungefähr der Temperatur von Autoabgasen entspricht.“

„Dieses Projekt ist ein ausgezeichnetes Beispiel für die Verwendung der Neutronenforschung zur Untersuchung der Struktur und Aktivität von Molekülen in porösen Materialien“, sagte Timmy Ramirez-Cuesta, Co-Autor und Koordinator der Chemie- und Katalyseinitiative am ORNL-Direktorium für Neutronenwissenschaften. „Dank der Durchschlagskraft von Neutronen haben wir verfolgt, wie sich die Stickstoffdioxidmoleküle in den Poren des Materials anordnen und bewegen, und die Auswirkungen auf die gesamte MOF-Struktur untersucht.“

„Die Charakterisierung des Mechanismus, der für die hohe und schnelle Aufnahme von NO2 verantwortlich ist, wird die zukünftige Entwicklung verbesserter Materialien zur Abscheidung von Luftschadstoffen beeinflussen“, sagte Jiangnan Li, der erste Autor und Doktorand an der University of Manchester.

In der Vergangenheit war die Abscheidung von Treibhausgasen und toxischen Gasen aus der Atmosphäre eine Herausforderung, da sie relativ niedrig sind und weil Wasser in der Luft konkurriert und sich oft negativ auf die Trennung der angestrebten Gasmoleküle von anderen Gasen auswirken kann. Ein weiteres Thema war die Suche nach einem praktischen Weg, um abgefangene Gase herauszufiltern und in nützliche, wertschöpfende Produkte umzuwandeln. Das Material MFM-520 bietet Lösungen für viele dieser Herausforderungen.

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