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二氧化碳“华丽”变身!新型化合物可以将二氧化碳变为有用化学品

2022年1月5日

由于俄勒冈州立大学的一名研究人员领导的科学合作开发的一种新型化合物,可以将二氧化碳从烟囱中收集并用于制造有商业价值的化学品。

 

发表在《材料化学杂志A》上的这项研究表明,新的金属有机框架加载了一种常见的工业化学品环氧丙烷,可以催化环状碳酸盐的生产,同时从工厂烟道气中清除二氧化碳。

 

二氧化碳是一种温室气体,由燃烧化石燃料产生,是气候变化的主要原因之一。环状碳酸盐是一类具有巨大工业利益的化合物,这意味着这些发现是对绿色经济倡议的推动,因为它们表明电池电解质和药物前体等有用的产品可以从用于清洁制造设施排放物的同一过程中获得。

 

新的三维镧系金属有机框架,或称MOF,也可用于催化从沼气(由二氧化碳、甲烷和其他有机物分解产生的气体组成的混合物)中生产循环碳酸盐。

 

催化剂是一种能提高化学反应速度而本身不发生任何永久性化学变化的物质,而镧系元素是一组柔软的银白色金属,其应用范围从夜视镜到香烟打火机的火石。

 

镧系元素的例子包括铈、铕和钆。

 

"领导这项研究的OSU理学院的化学研究员Kyriakos Stylianou说:"通过开发一种有效的催化剂,我们朝着解决与希望的循环碳经济相关的关键挑战迈出了一大步。"这方面的一个关键是了解MOFs中的活性位点与潜在的反应性分子之间的分子相互作用。

 

MOF是一种无机-有机混合体,是一种由带正电的金属离子组成的结晶性多孔材料,周围有有机 "连接物 "分子,在这种情况下是镧系金属和四甲酸酯连接物。

 

金属离子形成节点,与连接物的手臂结合,形成一个重复的结构,看起来像一个笼子;该结构有纳米级的孔隙,可以吸附气体,类似于海绵。MOFs可以用各种成分进行设计,这些成分决定了MOF的特性。

 

镧系材料通常是稳定的,因为镧系离子的尺寸相对较大,Stylianou说,镧系MOFs也是如此,其中酸性金属与连接体形成强键,使MOFs在水中和高温下保持稳定;这很重要,因为烟气和沼气很热,而且水分丰富。

 

镧系MOFs对二氧化碳也有选择性,这意味着它们不受工业排放物和沼气所含其他气体的困扰。

 

"Stylianou说:"我们观察到,在孔隙中,环氧丙烷可以直接与铈中心结合,并激活二氧化碳环化的相互作用。"使用我们的MOFs,在捕获和转化二氧化碳的多个周期后保持稳定,我们描述了将二氧化碳固定到环氧丙烷的环氧环中以生产环状碳酸酯"。

 

环状碳酸盐具有广泛的工业用途,包括作为极性溶剂、聚碳酸酯材料(如眼镜片和数码光盘)的前体、锂电池中的电解质以及药品的前体。

 

"这些是非常令人兴奋的发现,"Stylianou说。"而且能够直接使用来自不纯来源的二氧化碳,节省了在用于制造环状碳酸盐之前对其进行分离的成本和能源,这将是绿色经济的一大福音。"

 

理学院的David Le、Ryan Loughran和Isabelle Brooks合作进行了这项研究,哥伦比亚大学和剑桥大学的科学家也参与了这项研究。