空氣污染一直威脅人類健康，根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，室外環(huán)境和家居的空氣污染每年導(dǎo)致約700萬人死亡。香港城市大學(xué)（城大）研究人員參與領(lǐng)導(dǎo)的一支團(tuán)隊(duì)，早前研發(fā)出一種嶄新的“海綿”材料，可于室溫高效地吸附環(huán)境里的空氣污染物二氧化氮，為控制二氧化氮環(huán)境污染提供實(shí)際解決方案。

上述創(chuàng)新研究由城大能源及環(huán)境學(xué)院（SEE）助理教授尚進(jìn)博士領(lǐng)導(dǎo)，團(tuán)隊(duì)其他成員包括來自澳洲、中國內(nèi)地和香港的研究人員。研究的結(jié)果已于著名化學(xué)期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie）上發(fā)表，題為〈Transition‐Metal‐Containing Porphyrin Metal‐Organic Frameworks as π‐Backbonding Adsorbents for NO₂ Removal〉。

 

二氧化氮（nitrogen dioxide, NO₂）是一種主要的空氣污染物，主要由發(fā)電廠、工廠及車輛燃燒化石燃料的過程產(chǎn)生并釋放于空氣中，可引起光化學(xué)煙霧，損害人體呼吸道健康。其中一個(gè)減少空氣中二氧化氮的方法，就是吸附作用。就此，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出類似海綿的鋁基固體多孔納米材料，以特別設(shè)計(jì)的過渡金屬作為活性位點(diǎn)，置于卟啉環(huán)（porphyrin rings）中心，成功從氣體混合物中選擇性地捕捉及去除二氧化氮。

卟啉（porphyrin）是一種有機(jī)化合物，含有雜環(huán)結(jié)構(gòu)（構(gòu)成環(huán)的原子除了碳原子外，還至少含有一個(gè)雜原子），又被稱為紫質(zhì)。許多卟啉以和金屬離子配合的形式存在于自然界中，例如與鐵配位的血紅素。團(tuán)隊(duì)的研究靈感便是來自人體內(nèi)反饋π鍵作用（pi-backbonding interaction）的過程——位于血紅蛋白（hemoglobin protein）上卟啉環(huán)中心的過渡金屬鐵，能夠透過反饋π鍵作用選擇性地捕捉含有π鍵的氧分子。

尚博士說：“我們模仿了自然并實(shí)現(xiàn)了吸附劑與目標(biāo)π分子，即二氧化氮之間獨(dú)特的π鍵作用，而且我們這次研發(fā)的新材料能做到兼具高吸附容量和高可再生性（即可以反復(fù)使用），很少吸附材料能媲美。”而團(tuán)隊(duì)研發(fā)的這種技術(shù)能兩者兼?zhèn)涞年P(guān)鍵，在于二氧化氮在吸附位點(diǎn)上，與過渡金屬實(shí)現(xiàn)了適度的相互作用。

 

去除二氧化氮其實(shí)也可以運(yùn)用選擇性催化還原技術(shù)（selective catalytic reduction technology）。然而，現(xiàn)時(shí)廣泛應(yīng)用的選擇性催化還原技術(shù)必須在高溫、即約攝氏250至攝氏600度之間，才能轉(zhuǎn)化從而去除二氧化氮。而研究團(tuán)隊(duì)新研發(fā)的吸附材料更勝一籌之處，在于能在室溫高效去除低溫廢氣（例如以柴油推動的非公路車輛或公路車輛冷啟動時(shí)所產(chǎn)生的廢氣）所引致的二氧化氮污染，補(bǔ)足了傳統(tǒng)方法的不足。

尚博士說：“我們成功展示了在室溫下對二氧化氮的選擇性吸附，這種仿生技術(shù)將促進(jìn)研究人員針對低溫二氧化氮污染控制的一系列技術(shù)的開發(fā)，例如檢測、過濾及催化低溫二氧化氮等，特別是用在容易受到二氧化氮污染的環(huán)境，例如隧道和半封閉式停車場。”

研究結(jié)果顯示，該吸附材料甚為穩(wěn)定，對二氧化氮具高選擇性、高吸附容量及高可再生性，能抵抗侵蝕，且不易受潮。尚博士說：“二氧化氮的特質(zhì)是極容易發(fā)生反應(yīng)，所以若要吸附這種有毒氣體，可謂極為棘手，相關(guān)的研究也非常有限。因此，我們的研究成果在這新興領(lǐng)域里，可說是取得了罕見的成功。”

此外，該吸附劑可按應(yīng)用所需，制成不同形狀，例如制成球形用于通風(fēng)系統(tǒng)，或用作防護(hù)口罩的濾芯。尚博士表示，由這次研究中獲得的新知識，將有助設(shè)計(jì)涉及能源生產(chǎn)和環(huán)境修復(fù)，并用以分離不同氣體的強(qiáng)力π鍵吸附劑。團(tuán)隊(duì)亦希望此研究會為新一代低溫二氧化氮捕捉技術(shù)奠下基礎(chǔ)，以更有效管理及控制二氧化氮污染問題。

 

尚博士及澳大利亞核科學(xué)與技術(shù)組織同步加速器研究中心（Australian Synchrotron, ANSTO）的顧勤奮博士同為論文的通訊作者。論文的第一作者是來自SEE的博士生尚姍姍。研究團(tuán)隊(duì)的其他成員來自香港大學(xué)、中國科學(xué)院廣州能源研究所及吉林大學(xué)。

研究獲得城大、國家自然科學(xué)基金委員會、深圳市科技創(chuàng)新委員會和香港研究資助局等資助進(jìn)行。

DOI number: 10.1002/anie.202007054

本文已于 “香港城大研創(chuàng)” 微信公眾號發(fā)布。
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