El Dióxido de Nitrógeno (NO2), que está formado por nitrógeno y oxígeno, es un gas tóxico, irritante y precursor de la formación de partículas de nitrato. Estas llevan a la producción de ácido y elevados niveles de finas partículas (PM-2.5) en el ambiente. Afecta principalmente al sistema respiratorio. Este compuesto químico de color marrón-amarillento se genera como subproducto en los procesos de combustión a altas temperaturas, tales como en los vehículos motorizados y las plantas eléctricas. Por ello es un contaminante muy frecuente en zonas urbanas.
Un equipo internacional de científicos, dirigido por la University of Manchester (UM), ha desarrollado un marco de metal orgánico, o MOF, material que proporciona una capacidad selectiva, totalmente reversible y repetible para capturar dióxido de nitrógeno. Esta información nos la envía para compartir un colega, ingeniero químico, en un artículo escrito por Paul L Boisvert y publicado en el boletín digital del Oak Ridge National Laboratory (ORNL).
El material solo requiere agua y aire para convertir el gas capturado en ácido nítrico para uso industrial. El mecanismo para la absorción de gas en tiempo récord por parte del MOF, caracterizado por investigadores que utilizan la dispersión de neutrones en el ORNL del Departamento de Energía de EUA, podría conducir a tecnologías de control y remediación de la contaminación del aire que eliminen de manera rentable el contaminante del aire y lo conviertan en ácido nítrico para su uso en la producción de fertilizantes, propulsores de cohetes, nylon y otros productos.
Como se informó en Nature Chemistry, el material, denominado MFM-520, puede capturar dióxido de nitrógeno atmosférico a presiones y temperaturas ambientales, incluso a bajas concentraciones y durante el flujo, en presencia de humedad, dióxido de azufre y dióxido de carbono. A pesar de la naturaleza altamente reactiva del contaminante, el MFM-520 demostró ser capaz de regenerarse por completo varias veces por desgasificación o por tratamiento con agua del aire, un proceso que también convierte el dióxido de nitrógeno en ácido nítrico.
"Hasta donde sabemos, este es el primer MOF que captura y convierte un contaminante tóxico y gaseoso del aire en un producto industrial útil", dijo Sihai Yang, uno de los autores principales del estudio y profesor titular en el Departamento de Química de UM. "También es interesante que la tasa más alta de absorción de NO2 por este material se produce a alrededor de 113 grados Fahrenheit (45 grados centígrados), la cual es la temperatura de tienen regularmente los gases de escape de los automóviles".
Martin Schröder, autor principal del estudio, profesor de química y vicepresidente de la UM, dijo: "El mercado mundial de ácido nítrico en 2016 fue de $ 2.5 mil millones de dólares (USD), por lo que existe un gran potencial para los fabricantes de esta tecnología MOF para recuperar sus costos y beneficiarse de la producción resultante de ácido nítrico. Especialmente porque los únicos aditivos requeridos son agua y aire ".
Como parte de la investigación, los científicos utilizaron espectroscopía de neutrones y técnicas computacionales en ORNL para caracterizar con precisión cómo MFM-520 captura moléculas de dióxido de nitrógeno.
"Este proyecto es un excelente ejemplo del uso de la ciencia de neutrones para estudiar la estructura y la actividad de las moléculas dentro de los materiales porosos", dijo Timmy Ramirez-Cuesta, coautor y coordinador de la iniciativa de química y catálisis en la Dirección de Ciencias de Neutrones de ORNL. "Gracias al poder de penetración de los neutrones, rastreamos cómo las moléculas de dióxido de nitrógeno se organizaron y se movieron dentro de los poros del material, y estudiamos los efectos que tenían en toda la estructura MOF. Lo que hizo posible estas observaciones es el espectrómetro vibratorio VISION en ORNL Spallation Neutron Source, que tiene la mayor sensibilidad y resolución de este tipo en el mundo ".
La capacidad de los neutrones para penetrar en el metal sólido para sondear las interacciones entre las moléculas de dióxido de nitrógeno y MFM-520 está ayudando a los investigadores a validar un modelo informático de procesos de conversión y separación de gases MOF. Tal modelo podría ayudar a predecir cómo producir y adaptar otros materiales para capturar una variedad de gases diferentes.
"La espectroscopía vibracional de neutrones es una herramienta única para estudiar los mecanismos de adsorción y reacción e interacciones huésped-huésped a nivel molecular, especialmente cuando se combina con la simulación por computadora", dijo Yongqiang Cheng, científico y coautor de dispersión de neutrones ORNL. "La interacción entre las moléculas de dióxido de nitrógeno y MOF causa cambios extremadamente pequeños en su comportamiento vibratorio. Tales cambios solo pueden reconocerse cuando el modelo de computadora los predice con precisión".
"La caracterización del mecanismo responsable de la alta y rápida absorción de NO2 informará los diseños futuros de materiales mejorados para capturar contaminantes del aire", dijo Jiangnan Li, primer autor y estudiante de doctorado en la Universidad de Manchester. "El tratamiento posterior del dióxido de nitrógeno capturado evita la necesidad de secuestrar o procesar el gas y proporciona una dirección futura para las tecnologías de aire limpio".
La captura de gases de efecto invernadero y tóxicos de la atmósfera ha sido un desafío debido a sus concentraciones relativamente bajas y porque el agua en el aire compite y a menudo puede afectar negativamente la separación de las moléculas de gas objetivo de otros gases. Otro problema fue encontrar una forma práctica de filtrar y convertir los gases capturados en productos útiles y de valor agregado. El material MFM-520 MOF ofrece soluciones a muchos de estos desafíos.
Otros coautores del artículo, titulado "Captura de dióxido de nitrógeno y conversión a ácido nítrico en un marco de metal orgánico poroso", incluyen Xue Han, Xinran Zhang, Alena M. Sheveleva, Floriana Tuna, Eric JL Mcinnes, Laura J. McCormick McPherson, Simon J. Teat y Luke L. Daemen.
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