Το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να συλλεχθεί από καπνογόνα και να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία εμπορικά πολύτιμων χημικών ουσιών χάρη σε μια νέα ένωση που αναπτύχθηκε από μια επιστημονική συνεργασία με επικεφαλής έναν ερευνητή του Πανεπιστημίου του Όρεγκον.

Δημοσιεύτηκε στο Journal of Materials Chemistry Α, η μελέτη δείχνει ότι το νέο μεταλλικό οργανικό πλαίσιο, φορτωμένο με μια κοινή βιομηχανική χημική ουσία, οξείδιο του προπυλενίου, μπορεί να καταλύσει την παραγωγή κυκλικών ανθρακικών ενώ καθαρίζει το CO₂ από τα καυσαέρια του εργοστασίου.

Το διοξείδιο του άνθρακα, ένα αέριο του θερμοκηπίου, προκύπτει από την καύση ορυκτών καυσίμων και είναι μία από τις κύριες αιτίες της κλιματικής αλλαγής. Τα κυκλικά ανθρακικά είναι μια κατηγορία ενώσεων με μεγάλο βιομηχανικό ενδιαφέρον, πράγμα που σημαίνει ότι τα ευρήματα είναι μια ώθηση για πρωτοβουλίες πράσινης οικονομίας επειδή δείχνουν χρήσιμα προϊόντα όπως ηλεκτρολύτες μπαταριών και φαρμακευτικές πρόδρομες ουσίες μπορούν να προέρχονται από την ίδια διαδικασία που χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό των εκπομπών από τις εγκαταστάσεις παραγωγής.

Το νέο, τρισδιάστατο, μεταλλικό οργανικό πλαίσιο με βάση λανθανίδη, ή MOF, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να καταλύσει την παραγωγή κυκλικού ανθρακικού από βιοαέριο, ένα μείγμα διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο και άλλα αέρια που προκύπτουν από την αποσύνθεση της οργανικής ύλης.

Ο καταλύτης είναι μια ουσία που αυξάνει τον ρυθμό μιας χημικής αντίδρασης χωρίς η ίδια να υποστεί κάποια μόνιμη χημική αλλαγή και οι λανθανίδες είναι μια ομάδα μαλακών, ασημόλευκων μετάλλων των οποίων οι εφαρμογές κυμαίνονται από γυαλιά νυχτερινής όρασης έως πυρόλιθους για αναπτήρες.

Παραδείγματα λανθανιδών περιλαμβάνουν το δημήτριο, το ευρώπιο και το γαδολίνιο.

«Έχουμε κάνει ένα μεγάλο βήμα προς την επίλυση μιας κρίσιμης πρόκλησης που σχετίζεται με την προσδοκώμενη κυκλική οικονομία άνθρακα, αναπτύσσοντας έναν αποτελεσματικό καταλύτη», δήλωσε ο ερευνητής χημείας Κυριάκος Στυλιανού του Κολλεγίου Επιστημών του OSU, ο οποίος ηγήθηκε της μελέτης. “Ένα κλειδί για αυτό είναι η κατανόηση των μοριακών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ενεργών θέσεων στα MOFs με δυνητικά αντιδραστικά μόρια.”

Το MOF είναι ένα ανόργανο-οργανικό υβρίδιο, ένα κρυσταλλικό πορώδες υλικό που αποτελείται από θετικά φορτισμένα ιόντα μετάλλων που περιβάλλονται από οργανικά μόρια «συνδέτες», σε αυτή την περίπτωση μέταλλα λανθανίδης και τετρακαρβοξυλικούς συνδέτες.

Τα μεταλλικά ιόντα δημιουργούν κόμβους που συνδέουν τους βραχίονες των συνδετήρων για να σχηματίσουν μια επαναλαμβανόμενη δομή που μοιάζει με κλουβί. η δομή έχει πόρους νανομεγέθους που προσροφούν αέρια, παρόμοια με ένα σφουγγάρι. Τα MOF μπορούν να σχεδιαστούν με μια ποικιλία στοιχείων, τα οποία καθορίζουν τις ιδιότητες του MOF.

Τα υλικά με βάση τη λανθανίδη είναι γενικά σταθερά λόγω του σχετικά μεγάλου μεγέθους των ιόντων λανθανίδης, είπε ο Στυλιανού, και αυτό ισχύει επίσης με τα MOF λανθανίδης, όπου τα όξινα μέταλλα σχηματίζουν ισχυρούς δεσμούς με τους συνδετήρες, διατηρώντας τα MOF σταθερά στο νερό και σε υψηλές θερμοκρασίες ; αυτό είναι σημαντικό γιατί καυσαέρια και το βιοαέριο είναι ζεστό καθώς και πλούσιο σε υγρασία.

Τα MOF λανθανιδών είναι επίσης επιλεκτικά για το διοξείδιο του άνθρακα, που σημαίνει ότι δεν ενοχλούνται από την παρουσία των άλλων αερίων που περιέχονται από βιομηχανικές εκπομπές και βιοαέριο.

«Παρατηρήσαμε ότι μέσα στους πόρους, το οξείδιο του προπυλενίου μπορεί να συνδεθεί άμεσα με τα κέντρα του δημητρίου και να ενεργοποιήσει τις αλληλεπιδράσεις για την κυκλοπροσθήκη διοξειδίου του άνθρακα», είπε ο Στυλιανού. “Χρησιμοποιώντας τα MOF μας, σταθερά μετά από πολλαπλούς κύκλους δέσμευσης και μετατροπής διοξειδίου του άνθρακα, περιγράφουμε τη στερέωση διοξειδίου του άνθρακα στον εποξειδικό δακτύλιο του προπυλενοξειδίου για την παραγωγή κυκλικών ανθρακικών αλάτων.”

Τα κυκλικά ανθρακικά έχουν ένα ευρύ φάσμα βιομηχανικών εφαρμογών, όπως ως πολικοί διαλύτες, πρόδρομες ουσίες για πολυανθρακικά υλικά όπως φακοί γυαλιών και ψηφιακοί δίσκοι, ηλεκτρολύτες σε μπαταρίες λιθίου και πρόδρομες ουσίες για φαρμακευτικά προϊόντα.

«Πρόκειται για πολύ συναρπαστικά ευρήματα», είπε ο Στυλιανού. «Και η δυνατότητα άμεσης χρήσης διοξειδίου του άνθρακα από ακάθαρτες πηγές εξοικονομεί το κόστος και την ενέργεια του διαχωρισμού του προτού χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή κυκλικών ανθρακικών αλάτων, κάτι που θα είναι όφελος για την πράσινη οικονομία».

Οι David Le, Ryan Loughran και Isabelle Brooks του Κολλεγίου Επιστημών συνεργάστηκαν σε αυτήν την έρευνα, όπως και επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Columbia και το Πανεπιστήμιο του Cambridge.