Publiée dans le Journal of Materials Chemistry A, l'étude montre que la nouvelle structure organométallique, chargée d'un produit chimique industriel courant, l'oxyde de propylène, peut catalyser la production de carbonates cycliques tout en épurant le CO2 des gaz de combustion des usines.
Le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre, résulte de la combustion de combustibles fossiles et est l'une des principales causes du changement climatique. Les carbonates cycliques sont une classe de composés avec un grand intérêt industriel, ce qui signifie que les résultats sont un coup de pouce pour les initiatives d'économie verte car ils montrent que des produits utiles tels que les électrolytes de batterie et les précurseurs pharmaceutiques peuvent être dérivés du même processus déployé pour nettoyer les émissions des installations de fabrication.
Le nouveau cadre organique métallique tridimensionnel à base de lanthanide, ou MOF, peut également être utilisé pour catalyser la production cyclique de carbonate à partir de biogaz, un mélange de dioxyde de carbone, de méthane et d'autres gaz résultant de la décomposition de la matière organique.
Un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique sans subir elle-même de modification chimique permanente, et les lanthanides sont un groupe de métaux mous et blanc argenté dont les applications vont des lunettes de vision nocturne aux silex pour briquets.
Des exemples de lanthanides comprennent le cérium, l'europium et le gadolinium.
"Nous avons fait un grand pas vers la résolution d'un défi crucial associé à l'économie circulaire du carbone espérée en développant un catalyseur efficace", a déclaré le chercheur en chimie Kyriakos Stylianou de l'OSU College of Science, qui a dirigé l'étude. "Une clé pour cela est de comprendre les interactions moléculaires entre les sites actifs dans les MOF avec des molécules potentiellement réactives."
Un MOF est un hybride inorganique-organique, un matériau poreux cristallin composé d'ions métalliques chargés positivement entourés de molécules de "lieur" organiques, dans ce cas des métaux lanthanides et des liants tétracarboxylates.
Les ions métalliques forment des nœuds qui lient les bras des linkers pour former une structure répétitive qui ressemble à une cage ; la structure a des pores nanométriques qui adsorbent les gaz, comme une éponge. Les MOF peuvent être conçus avec une variété de composants, qui déterminent les propriétés du MOF.
Les matériaux à base de lanthanide sont généralement stables en raison de la taille relativement grande des ions lanthanide, a déclaré Stylianou, et cela est également vrai avec les MOF de lanthanide, où les métaux acides forment des liaisons solides avec les lieurs, maintenant les MOF stables dans l'eau et à des températures élevées. ; c'est important parce que les gaz de combustion et le biogaz sont chauds et riches en humidité.
Les MOF lanthanides sont également sélectifs pour le dioxyde de carbone, ce qui signifie qu'ils ne sont pas gênés par la présence des autres gaz contenus par les émissions industrielles et le biogaz.
"Nous avons observé que dans les pores, l'oxyde de propylène peut se lier directement aux centres de cérium et activer les interactions pour la cycloaddition du dioxyde de carbone", a déclaré Stylianou. "En utilisant nos MOF, stables après plusieurs cycles de capture et de conversion du dioxyde de carbone, nous décrivons la fixation du dioxyde de carbone dans le cycle époxy de l'oxyde de propylène pour la production de carbonates cycliques."
Les carbonates cycliques ont une large gamme d'applications industrielles, notamment en tant que solvants polaires, précurseurs de matériaux en polycarbonate tels que les verres de lunettes et les disques numériques, électrolytes dans les batteries au lithium et précurseurs de produits pharmaceutiques.
"Ce sont des découvertes très excitantes", a déclaré Stylianou. "Et pouvoir utiliser directement le dioxyde de carbone provenant de sources impures permet d'économiser le coût et l'énergie de sa séparation avant qu'il ne puisse être utilisé pour fabriquer des carbonates cycliques, ce qui sera une aubaine pour l'économie verte."
David Le, Ryan Loughran et Isabelle Brooks du College of Science ont collaboré à cette recherche, tout comme des scientifiques de l'Université de Columbia et de l'Université de Cambridge.
Le College of Science et l'OSU Honors College ont financé l'étude.
