麻省理工学院在有毒气体检测技术方面取得了突破性进展

麻省理工学院在有毒气体检测技术方面取得了突破性进展访问：NordVPN立减75%+外加3个月时长另有NordPass密码管理器新系统结合了两种现有技术，既保留了各自的优点，又避免了它们的局限性。研究小组使用了一种被称为金属有机框架（MOF）的材料，这种材料对微量气体非常敏感，但其性能很快就会退化，研究小组将其与一种聚合物材料相结合，这种材料非常耐用，更易于加工，但敏感性要低得多。麻省理工学院教授AristideGumyusenge、MirceaDinca、HeatherKulik和JesusdelAlamo、研究生HeejungRoh以及博士后Dong-HaKim、YeongsuCho和Young-MooJo今天在《先进材料》（AdvancedMaterials）杂志上发表了一篇论文，报告了这一研究成果。麻省理工学院的研究人员开发出一种探测器，可以低成本持续监测有毒气体的存在。研究小组使用了一种名为金属有机框架（MOF）的材料（图中为黑色晶格），这种材料对微量气体高度敏感，但其性能很快就会退化。他们将MOF与一种聚合物材料（如图中的茶色半透明链）相结合，这种材料非常耐用，但灵敏度要低得多。图片来源：研究人员提供MOFs多孔性强，表面积大，有多种成分。有些可能是绝缘体，但本研究中使用的MOFs具有很强的导电性。它们的形状像海绵，能有效捕捉各种气体分子，其孔隙的大小可以定制，使它们对特定种类的气体具有选择性。"论文的资深作者、材料科学与工程系MertonC.Flemings职业发展助理教授Gumyusenge说："如果把它们用作传感器，只要气体对MOF的电阻率有影响，就能识别出气体是否存在。这些材料用作气体检测器的缺点是容易饱和，无法再检测和量化新输入的气体。"这不是你想要的。你想要的是能够检测和重复使用，"Gumyusenge说。"因此，我们决定使用聚合物复合材料来实现这种可逆性。"研究小组使用了一类导电聚合物，Gumyusenge和他的同事们之前已经证明，这类聚合物可以对气体做出反应，而不会与气体永久结合。"他说："这种聚合物虽然没有MOFs那样的高表面积，但至少可以提供这种识别-释放型现象。研究人员在一个实验室规模的小型装置中展示了这种材料检测一氧化二氮（一种由多种燃烧产生的有毒气体）的能力。经过100次检测后，这种材料仍能保持其基线性能，误差在5%到10%之间，这证明了它具有长期使用的潜力。以下是传感装置的布局。图片来源：研究人员提供研究小组将液态溶液中的聚合物与粉末状的MOF材料结合在一起，然后将混合物沉积在基底上，干燥后形成一层均匀的薄涂层。他说："通过将具有快速检测能力的聚合物和灵敏度更高的MOF以一比一的比例结合在一起，我们突然得到了一种传感器，它既具有MOF带来的高灵敏度，又具有聚合物带来的可逆性。"当气体分子暂时滞留在材料中时，材料的电阻会发生变化。只需安装一个欧姆表来跟踪电阻随时间的变化，就能持续监测这些电阻变化。Gumyusenge和他的学生们在一个实验室规模的小型装置中演示了这种复合材料检测二氧化氮的能力。经过100次检测后，该材料仍能保持其基线性能，误差在5%到10%之间，证明了其长期使用的潜力。此外，研究小组报告说，这种材料的灵敏度远远高于目前使用的大多数二氧化氮检测器。这种气体经常在使用炉灶后被检测到。而且，由于这种气体最近与美国的许多哮喘病例有关，因此对低浓度的可靠检测非常重要。研究小组证明，这种新型复合材料可以可逆地检测到浓度低至百万分之二的气体。虽然他们的演示是专门针对二氧化氮的，但Gumyusenge说："我们可以调整化学成分，使其针对其他挥发性分子，只要它们是小的极性分析物，这往往是大多数有毒气体"。除了与简单的手持式探测器或烟雾报警装置兼容之外，这种材料的一个优点是，聚合物使其能够沉积成极薄的均匀薄膜，而不像普通的MOFs通常是低效的粉末状。由于薄膜非常薄，因此所需的材料很少，生产材料成本可能很低；加工方法可以是典型的工业涂料加工方法。Gumyusenge说："因此，限制因素可能是聚合物合成规模的扩大，我们一直在少量合成聚合物。"他说："下一步将是在实际环境中对这些材料进行评估。例如，可以在烟囱或排气管上涂上这种材料，通过附带的电阻监测装置读取数据，对气体进行连续监测。在这种环境下，我们需要进行测试，以检查我们是否真正将其与实验室环境中可能忽略的其他潜在污染物区分开来。让我们把传感器放到真实世界的场景中，观察它们的效果如何"。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1431290.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1431290.htm

绿色化学技术新突破 研究人员将氨转化为可持续氮源

绿色化学技术新突破研究人员将氨转化为可持续氮源通过主族元素化合物对氨进行可逆活化和催化转移。资料来源：弗兰克-布雷赫，德国工业技术大学胺是农用和医药化学品以及洗涤剂、染料、润滑剂和涂料的基本成分。此外，还可用作生产聚氨酯的催化剂。胺还可用于炼油厂和发电厂的气体洗涤器。通过破坏氮和氢之间的强键（即活化），氨分子至少在理论上可以转移到其他分子上，如不饱和碳氢化合物。例如，将氨转移到化学工业中的重要物质乙烯上就会产生乙胺。化学家将这种加成称为氢化反应。然而，氨和乙烯之间不易发生反应。反应的发生需要催化剂。然而，基于过渡金属的传统催化剂会与氨发生反应而失去活性。"因此，非活化烯烃与氨的氢化反应被认为是催化领域的一大挑战与目标，"KIT无机化学研究所分子化学部研究小组负责人FrankBreher教授说。氨的活化和催化转移通过与帕德博恩大学（PaderbornUniversity）和马德里康普顿斯大学（ComplutenseUniversityofMadrid）的研究人员合作，无机化学研究所的弗兰克-布雷赫（FrankBreher）教授和费利克斯-克雷默（FelixKrämer）博士现在距离实现这一具有挑战性的目标又近了一步。"我们已经开发出一种氨的活化系统，它不是基于过渡金属，而是基于主族元素。活化和随后转移氨的"原子经济"过程不会产生任何废物，这在可持续发展方面具有特别意义，"布雷赫说。相关研究成果现已发表在《自然-化学》杂志上。研究小组制备出了一种所谓的受挫路易斯对（FLP），它由作为电子对受体的酸和作为电子对供体的碱组成。通常情况下，两者会相互反应并产生加合物。如果阻止或至少限制加合物的形成，就会产生受挫情况，分子很容易与氨等小分子发生反应。"关键是要抑制反应性，使其与小分子的反应是可逆的。只有这样，才有可能在催化中使用这种FLP。我们是第一个用氨作为底物实现这一点的人，"Breher报告说。研究发现，FLP很容易以热中性方式与非水氨发生反应，并在室温下可逆地拆分氨的氮氢键。研究人员首次展示了基于主族元素的催化剂催化的NH3转移反应。"迄今为止，我们只转化了活化底物，没有转化不饱和碳氢化合物。但我们已经更接近我们梦想中的反应了，"布雷赫说。"我们预计，我们的首次原理验证将启动进一步的工作，将N-H活化氨用作一种易于获得且可持续的氮源。"参考文献FelixKrämer、JanParadies、IsraelFernández和FrankBreher于2023年9月28日发表在《自然-化学》上的文章："一种能够在非水介质中活化和催化氨转移的结晶铝碳基双亲化合物"。DOI:10.1038/s41557-023-01340-9编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1403155.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1403155.htm

“储氨制氢”大突破 全新化合物可轻松来回转换 过程更安全简单

“储氨制氢”大突破全新化合物可轻松来回转换过程更安全简单这一发现已于近期发表在了《美国化学会杂志》上。据称，它不仅可以安全方便地储存氨，还可以储存它所携带的重要氢。为了使社会从碳基能源转变为氢基能源，我们需要一种安全的方式来储存和运输氢，氢本身是高度可燃的。一种方法是将其作为另一种分子的一部分储存起来，并在需要时提取出来。氨，化学式为NH3，是一个很好的氢载体，因为每个分子中都有三个氢原子，按重量计算，氨中几乎有20%是氢。然而，问题在于氨是一种腐蚀性很强的气体，很难储存和使用。目前，氨通常通过在远低于冰点的温度下液化来储存在耐压容器中。多孔化合物也可以在常温常压下储存氨，但储存容量较低，且氨不易回收。而最新研究报告了一种钙钛矿的发现，这是一种具有独特重复晶体结构的材料，可以很容易地储存氨，也可以在相对较低的温度下轻松完整地回收（恢复可用状态）。具体而言，该研究小组专注于钙钛矿乙基碘化铅铵（EAPbI3），化学式为CH3CH2NH3PbI3。他们发现它的一维柱状结构在室温和常压下会与氨发生化学反应，并动态转化为二维层状结构，称为氢氧化铅或Pb（OH）I。这一过程的结果是，氨通过化学转化储存在层状结构中。有鉴于此，EAPbI3可以安全地将腐蚀性氨气作为氮化合物储存，其过程比在压力容器中、-33°C下液化要便宜得多。更重要的是，回收储存氨的过程也同样简单。研究人员说，“令我们惊讶的是，储存在乙铵碘化铅中的氨只需稍稍加热就能很容易地提取出来。”他们进一步解释称，储存的氮化合物在50°C的真空条件下就会发生逆反应，并转化回氨。这个温度远低于从多孔化合物中提取氨所需的150°C或更高的温度。如此看来，EAPbI3是一种简单且经济高效的处理腐蚀性气体的极好介质。此外，钙钛矿恢复一维柱状结构后还可以重复使用，从而可以重复储存和提取氨。一个额外的好处是，通常为黄色的化合物在反应后变成白色。Kawamoto表示，“该化合物在储存氨时能够改变颜色，这意味着可以开发基于颜色的氨传感器来确定储存的氨量。”据称，这种新的存储方法有多种用途。在短期内，研究人员开发了一种安全的氨储存方法，该方法已经在社会上有多种用途，从肥料到药品再到纺织品。“从长远来看，我们希望这种简单而有效的方法能够成为通过使用氨作为无碳氢来实现脱碳的解决方案的一部分载体。”他们补充道。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1370713.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1370713.htm

大自然的秘方激发了更安全、更绿色的氟化工生产的突破性进展

大自然的秘方激发了更安全、更绿色的氟化工生产的突破性进展新开发的氟化合物生成方法背后的球磨过程艺术图解。资料来源：CalumPatel牛津大学的化学家们首次在不使用危险的氟化氢气体的情况下生成了对许多行业至关重要的氟化合物。这种创新方法的灵感来自于形成我们牙齿和骨骼的生物矿化过程。相关成果发表在权威杂志《科学》上。一个化学家小组开发出了一种全新的方法，可以绕过危险产品氟化氢（HF）气体，生成极其重要的氟化合物。该研究成果于7月20日发表在《科学》杂志上，可对改善日益增长的全球工业的安全性和碳足迹产生巨大影响。氟化学品是一类具有广泛重要用途的化学品，包括聚合物、农用化学品、药品以及智能手机和电动汽车中的锂离子电池，2018年的全球市场规模达214亿美元。目前，所有氟化合物都是通过高能耗工艺从有毒和腐蚀性气体氟化氢（HF）中生成的。尽管制定了严格的安全法规，但在过去几十年中，氟化氢泄漏事故仍屡屡发生，有时还会造成致命事故和有害环境影响。为了开发一种更安全的方法，牛津大学的化学家团队与牛津大学衍生公司FluoRok、伦敦大学学院和科罗拉多州立大学的同事一起，从形成牙齿和骨骼的自然生物矿化过程中汲取灵感。通常，氟化氢本身是在苛刻的条件下通过一种名为萤石（CaF2）的结晶矿物与硫酸反应生成的，然后再用于制造氟化合物。在新方法中，氟化合物直接由CaF2制成，完全绕过了氟化氢的生产过程：这是化学家几十年来一直在追求的成就。研究人员利用X射线衍射等高精密技术，揭开了有关Fluoromix组成和氟化物质结构的关键信息。图中显示了作为氟化试剂的Fluoromix晶体成分的结构。资料来源：迈克尔-海沃德教授在这种新方法中，固态CaF2由生物矿化启发过程激活，该过程模仿了磷酸钙矿物质在牙齿和骨骼中的生物形成方式。研究小组将CaF2与粉末状磷酸二氢钾盐在球磨机中研磨数小时，使用的机械化学过程是从我们用杵和臼研磨香料的传统方法演变而来的。由此产生的粉末状产品被称为Fluoromix，可直接从CaF2合成50多种不同的氟化合物，产率高达98%。所开发的方法有可能简化当前的供应链并降低能源需求，有助于实现未来的可持续发展目标，并降低该行业的碳足迹。令人兴奋的是，所开发的固态工艺对于酸级萤石（>97%，CaF2）和合成试剂级CaF2同样有效。该工艺代表了全球氟化工产品生产模式的转变，并促成了FluoRok公司的成立，该公司是一家分拆公司，致力于该技术的商业化以及安全、可持续和高成本效益氟化技术的开发。研究人员希望这项研究能鼓励世界各地的科学家为具有挑战性的化学问题提供颠覆性的解决方案，从而为社会带来益处。牛津大学化学系的卡勒姆-帕特尔（CalumPatel）是这项研究的主要作者之一，他介绍说："用磷酸盐对CaF2进行机械化学活化是一项令人兴奋的发明，因为这一看似简单的过程是解决复杂问题的高效方法。合作是回答这些问题的关键，也是推进我们对这一尚未探索的氟化学新领域的理解的关键。应对重大挑战的成功解决方案来自于多学科方法和专业知识，我认为这项工作真正体现了这一点的重要性。"这项研究的构思和领导者、牛津大学化学系的VéroniqueGouverneurFRS教授说："直接使用CaF2进行氟化是这一领域的终极目标，几十年来人们一直在寻求解决这一问题的方法。如今，向可持续的化学品制造方法过渡，减少或消除对环境的有害影响，已成为一个高度优先的目标，可以通过雄心勃勃的计划和对当前制造工艺的全面反思来加快实现这一目标。这项研究是朝着这个方向迈出的重要一步，因为在牛津大学开发的方法有可能在学术界和工业界的任何地方实施，通过缩短供应链等方式最大限度地减少碳排放，并在全球供应链脆弱的情况下提高可靠性。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1375753.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1375753.htm

突破性材料在室温下将重水与普通水分开

突破性材料在室温下将重水与普通水分开同位素是具有相同化学式的分子，其原子以类似的排列方式结合，但它们中至少有一个原子的中子数与母分子不同。例如，一个水分子（H2O）是由一个氧原子和两个氢原子组成。每个氢原子的原子核包含一个质子，没有中子。另一方面，在重水（D2O）中，氘（D）原子是氢的同位素，其原子核含有一个质子和一个中子。重水在核反应堆、医学成像和生物调查中都有应用。材料科学家顾成解释说："水的同位素是最难分离的，因为它们的特性是如此相似。我们的工作为使用吸附分离方法分离水同位素提供了一种前所未有的机制。"顾成和化学家北川进与同事一起，将他们的分离技术建立在一种铜基多孔配位聚合物（PCP）上。PCPs是由有机连接物连接的金属结点形成的多孔晶体材料。该团队测试了用不同类型的连接物制成的两种PCPs。在PCP/MOFs中加入蜻蜓状的闸门分子使其在分离水和重水时的效率比以前高一百倍，由于它们的性质相似，重水一直难以分离。使他们的PCPs对同位素分离特别重要的是，当适度加热时，连接体会翻转。这种翻转动作就像一个门，允许分子从五氯苯酚中的一个"笼子"进入另一个笼子。当材料被冷却时，运动被阻止。当科学家们将他们的"翻转动态晶体"暴露在含有普通水、重水和半重水混合物的蒸汽中，然后稍稍加热，它们吸附普通水的速度比吸附其他两种同位素的速度快得多。最重要的是，这一过程发生在室温范围内。北川说："在我们的工作中，水同位素的吸附分离大大优于传统的方法，因为在室温下操作的选择性非常高。我们乐观地认为，以我们的工作为指导的新材料将被开发出来以分离其他同位素。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1336675.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1336675.htm

科学家开发出更便宜、更清洁、更环保的氨生产新方法

科学家开发出更便宜、更清洁、更环保的氨生产新方法这幅图画展示了以锂为媒介将N2转化为氨的过程。图中是在电沉积锂（黑色瓷砖）上发生的一系列反应。在高压下，氮气（添加蓝色块）在锂上发生化学吸附，随后质子化（添加白色块）形成NHx，最终生成氨气并回收锂。这一循环过程形成了产生氨的催化节奏。这项研究强调了压力和电位在控制固体电解质界面的结构和稳定性以实现氨合成方面的重要性。资料来源：CrystalPrice和JosephGauthier，德克萨斯理工大学；MeeneshSingh，伊利诺伊大学芝加哥分校这一过程被称为锂介导的氨合成，它将氮气和乙醇等供氢流体与带电的锂电极结合在一起。氮原子不会在高温高压下分解氮气分子，而是粘附在锂上，然后与氢结合生成氨分子。该反应可在低温下进行，而且具有再生性，每生产一轮氨，就能恢复原来的材料。"有两个循环会发生。一个是氢源的再生，第二个是锂的再生，"UIC化学工程副教授辛格说。"由于循环过程的存在，这一反应中充满了交响乐。我们所做的就是以一种更好的方式来理解这种交响乐，并尝试以一种非常有效的方式来调节它，这样我们就能产生共振，使其更快地进行。"辛格实验室在《ACS应用材料与界面》（ACSAppliedMaterials&Interfaces）杂志封面上发表的一篇论文介绍了这一工艺，这是辛格实验室在寻求更清洁的氨方面的最新创新。在此之前，他的研究小组开发出了利用阳光和废水合成这种化学物质的方法，并制造出了一种电气化铜网筛，减少了制造氨气所需的能量。他们的最新研究成果建立在一种并不新奇的反应之上。科学家们对它的了解已有近一个世纪。"基于锂的方法实际上可以在任何有机化学教科书中找到。这是众所周知的。"辛格说。"但是，让这种循环高效、有选择性地运行，从而达到经济上可行的目标，这是我们的贡献"。这些目标包括高能效和低成本。辛格表示，如果规模扩大，该工艺生产氨的成本约为每吨450美元，比以前的锂基方法和其他拟议的绿色方法便宜60%。但是，选择性也很重要，因为许多使氨生产更清洁的尝试最终都产生了大量无用的氢气。辛格小组的研究成果是首批在选择性和能源使用方面达到能源部氨工业化生产标准的成果之一。辛格还表示，该工艺可以在模块化反应器中进行，通过太阳能电池板或其他可再生能源供电，并用空气和水为反应提供原料，可以使该工艺更加绿色环保。该工艺还有助于实现另一个能源目标--将氢用作燃料。实现这一目标一直受制于运输高可燃性液体的困难。"产生氢气、运输氢气并将氢气输送到氢气泵站，然后将氢气输送到汽车，这非常危险，"辛格说。"氨可以作为氢的载体。它的运输成本很低，而且很安全，在目的地可以把氨转化回氢。"目前，科学家们正与通用氨公司（GeneralAmmoniaCo.UIC）的技术管理办公室已为该工艺申请了专利。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1426105.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1426105.htm