由曼彻斯特大学带头的一个国际科学家团队，开发出一种金属有机框架（MOF）材料，可以选择性地重复捕获一种有害的空气污染物——由燃烧柴油和其他化石燃料产生的NO2。这种新材料仅需水和空气，就能将捕获的气体转化为工业硝酸。美国橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员利用中子散射技术，研究了MOF的气体吸收能力背后的机理。
这一机理可用于控制和修复空气污染的技术，从空气中高效去除污染物并转化为硝酸，生产化肥、火箭推进剂和尼龙等产品。据《自然·化学》报道，这种称为MFM-520的材料，可在常压常温，有水汽、二氧化硫（SO2）、二氧化碳（CO2）等存在的情况下，捕捉大气中低浓度甚至流动状态下的NO2。尽管NO2高度活泼，MFM-520仍能通过脱气或空气脱水的处理，实现多次完全再生，这一过程也会将NO2转化为硝酸。
研究的主要作者之一、曼彻斯特大学化学系高级讲师Sihai Yang说，“据我们所知，这是首次利用MOF捕捉有害的气态空气污染物，并将其转化为有价值的工业品。有趣的是，在45℃（接近汽车尾气的温度）时，这种材料吸收NO2能达到最高速率。
”文章的另一位主要作者、曼彻斯特大学副校长和化学教授Martin Schröder说，“2016年，全球硝酸市场规模为25亿美元，因此，MOF技术的生产商有望通过反应生成的硝酸收回成本和获得利润。”同时，科学家利用橡树岭国家实验室的中子光谱学和计算技术，精确描述MFM-520捕获NO2分子的方法。
研究的共同作者、ORNL中子科学理事会化学与催化项目协调员Timmy Ramirez-Cuesta说，“该项目是利用中子光谱学研究多孔材料内部分子结构和活性的一个极好例子。得益于中子的穿透力，我们能追踪NO2分子如何被引导进多孔材料的孔隙中，研究NO2分子对MOF整体结构的影响。这项研究使用了ORNL散裂中子源的VISION振动光谱仪，它在全球已有的同类仪器中具有最高的灵敏度和分辨率。
”中子可穿透固体金属，探测NO2分子与MFM-520之间相互作用，这能帮助研究人员验证MOF分离与转化气体过程的计算机模型。这种模型将能辅助预测如何制造和定制用于捕捉各类不同气体的其他材料。研究的共同作者、ORNL中子散射科学家Yongqiang Cheng说，“中子振动光谱是一种独特的工具，尤其与计算机模拟相结合时，能在分子水平上研究气体的吸附和反应机理，及其与MOF的相互作用。
NO2分子与MOF的相互作用产生的振动模式变化极小，只有计算机模型准确预测出这些变化时，才能被识别出来。”研究的第一作者、曼彻斯特大学博士生Jiangnan Li说，“通过解析MOF高速吸收大量NO2的机理，有利于改进未来用于捕捉空气污染物的材料设计。捕捉的NO2的后处理不需要对气体进行隔离或进一步处理，这为未来的洁净空气技术指引方向。
”由于温室气体和有害气体的浓度相对较低，因此捕捉它们一直是一项很大的挑战，而且空气中的水蒸汽会参与竞争，通常会对分离目标气体带来负面影响。另外，一直没有一种可行的方法，能将捕捉的气体分离并转化为有附加值的产品。MOF材料或为解决这些挑战提供了方法。