美国将有机金属结构组合形成蜂巢结构 捕获危险气体
2016-12-16 09:28:35   来源:中国科技网
内容摘要
德克萨斯大学达拉斯分校的研究团队把有机金属结构或MOFs组合在一起,形成了蜂巢结构,这些蜂巢结构可以有效的捕捉有害气体,并防止它们进入大气。

如何有效的捕捉有害气体?美国的科学家发明了一种新方法。

德克萨斯大学达拉斯分校的研究团队开发了一种创新方法,利用纳米有机金属结构,捕获潜在的有害气体。

这些有机金属结构,或MOFs,是由不同的建筑模块(模块由中心金属离子和分子间有机连接链组成的)制成的。它们组合在一起形成了蜂巢结构,可以利用蜂窝或孔隙捕获气体。

这种微小的纳米结构也有能力捕获各种不同的排放物,大到煤炭工厂,小到汽车和卡车。但是有些分子吸附性弱,很难封存在MOF结构内。吸附是指极薄分子层(如气体,溶质或液体)可以粘附在固体或液体表面。

“这些结构有能力存贮气体,但有些气体属于弱束缚态,不能被长时间捕获,”德克萨斯大学达拉斯分校材料科学与工程系研究员,Kui Tan博士说,他是研究论文的第一作者,该论文发表在2016年12月13日出版的《自然通讯》期刊上。

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发现这一问题后,Tan决定尝试引入一种能够覆盖每个MOF晶体外表面的分子,和蜜蜂用蜂蜡封住蜂巢,防止蜂蜜泄露的方式一样。

在本例中,Tan引入了一种分子蒸汽,乙二胺,或EDA,创造了一个单层,有效封住的MOF“蜂窝”并捕获二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮之类的气体。

这个单层厚度小于1纳米,比一个DNA单链一半的尺寸还小。

为了量化有多少气体被捕获并封存在EDA覆盖的MOF结构中,Tan和他的团队利用时间分辨的、原位红外光谱,检测这种分子“软木”捕获弱束缚态气体的有效性。

吸附在MOF中的气体分子,在计算机屏幕上显示为倒峰状态,这表明,EDA蒸汽能有效封存温室气体二氧化碳长达一天。

“这一发现的潜在应用包括,储存和释放氢气或天然气来驱动你的汽车,或者在工业领域应用,该结构能够捕获和分离危险气体,防止它们进入大气,”Tan说。

有一个额外的发现,水蒸气会破坏单层,渗透进MOF结构,在室温下会完全释放封存的蒸汽。EDA膜的选择性为控制气体排放提供了新的选项,他说。

“使用EDA作为覆盖层的想法,出自于kui,他做了大量的工作来证明这个方法,与我们合作的维克森林大学对这个方法存在非议,”Yves Chabal博士说,他是埃里克乔森工程与计算机科学学院,材料科学与工程系主任,也是该论文的资深作者。


最新无线传感技术,5秒内检验出目标有害气体

马萨诸塞州传感器及RFID技术初创企业C2Sense正准备在几个试点项目中测试公司在RFID包装及ID徽章上开发的传感技术。该传感技术主要用于无线检测特定气体并进行信息传输。2016年,一家不愿意透露名称的公司正测试该传感器来监控食物存储环境温度。2016年晚些时候,一家肉类及海鲜包装材料制造商将和C2Sense一起启动一个项目,使用传感器跟踪肉类包装内硫化物和生物胺的存在。

2017年,美国能源部(DOE)将开始内置UHF RFID传感器的ID徽章。该部门将使用手持式UHF读取器跟踪有害化学物质泄漏。

C2Sense是由MIT化学教授Jan M. Schnorr创建的,该创始人希望将MIT实验室的技术进行商业化开发。该系统在标签内置特定材料的化学致动谐振器件(用于从NFC或RFID标签传输信号到读取器),从而传递气体存在信息。

Schorr称,这一切都始于一个大学项目,当时大学研究员们自问“什么是把现实世界信息集成进数字世界的最简单方法?”大多数传感装置都太笨重,昂贵,无法在大多数可能存在危害气体的位置上使用。因此,供应链中的物品或工作环境中的气体通常没有进行检测。

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Swager称:“我们小组一直在研究化学物质传感检测,努力开发新方法检测特定化学物质并将信息呈现给用户。”最初,研究人员主要关注乙烯的检测,该物质是从变质的水果和蔬菜发出的。通过在NFC标签插入使用纳米碳管CARD,该传感器可检测到乙烯。

使用这一方法前,该方案已证明可以基于特定气体存在影响到电流从电极之间的传输。因此,该技术甚至可以离开RFID独自工作。使用NFC或RFID技术的优点是可以让用户通过手机或读取器收集传感数据。

一些场景中,用户更喜欢使用UHF RFID以便长距离传输,而NFC则适用于需使用手机收集的场景。

Swager称:“C2Sense已推出了一系列基于纳米管的材料,可根据不同气体改变其电阻。最新的CARD传感技术采用的是采用的是高导电性的纳米管,并封装在一个可阻碍RFID传输的绝缘材料内。”暴露在特定气体时,该材料会崩解,纳米管将导电,这样标签便可被读取到。

传感器可在5秒时间内检验出目标有害气体。最初版本的传感器可基于开关检测出特定气体的存在。目前,公司正开发一个可检测气体数量的传感器版本。这样,食品厂商便可估算出产品变坏的时间。

目前,C2Sense正使用多种型号的NFC及UHF RFID芯片,包括Norway Thinfilm及德国的ams AG。本月的试运行项目将不会使用RFID技术。C2Sense将使用可改变电极之间电阻的材料。该设备和电脑之间将通过电缆进行连接。

Schnorr称,此次项目并不需要NFC及RFID技术,该食品存储公司将在大型存储区域进行测试,传感装置不会随着食品移动。2016年晚些时候,一家不愿意透露名字的包装公司将在新鲜肉类,鱼类及家禽包装上试用UHF RFID或NFC版本技术。标签将传输ID号码及硫化物存在与否的信息。该技术非常适用于肉类。这是因为肉类的变质更难察觉,而且肉类的价格更高。

C2Sense还希望在整个供应链(从生产商到消费者)内试用这款传感标签产品。公司还将提供软件及应用程序来管理读取到的数据。

Schnorr称,该传感技术成本低廉,易于使用。他设想该产品不仅可在食品供应链上使用,还可以在有危害气体存在的场所使用。这些场所包括实验室、加油站、矿区。


新材料可通过手机检测有毒气体

一个日美联合研究小组最新开发出一种可以高灵敏度检测有毒气体的感应材料,利用这种材料及近场通信(NFC)技术,可以让手机在几秒内读出空气中是否存在有毒气体。

日本物质材料研究机构日前说,他们和美国麻省理工学院合作,在碳纳米管表面涂上一层被称为超分子聚合物的高分子材料,使其变成感应材料。

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据介绍,这种感应材料是利用碳纳米管的导电性变化来检测有毒气体浓度。碳纳米管本来是导电性强的材料,但被超分子聚合物覆盖后其导电性变差。当接触有毒气体时,超分子聚合物的化学键就会被部分破坏;而当超分子聚合物表面涂层被破坏后,碳纳米管导电性就会大幅上升。

将这种感应材料植入使用近场通信技术的电路中,就成为可检测有毒气体的传感器。操作时,只需用具有近场通信功能的手机“刷”一下传感器,5秒内就可在手机上读出是否存在有毒气体,能检出的浓度可低至10ppm(1ppm为百万分之一)。

这种传感器属于一次性用品,但是它小巧便携且成本极低,今后有望应用到地铁有毒气体监控等反恐或安监场合。


圣地亚哥成为美国首个承诺20年内成为100%可再生能源的城市

巴黎气候变化大会达成了具有里程碑意义的《巴黎协定》,旨在减少全球的温室气体排放。而美国圣地亚哥也紧随其后。经过市议会的一致投票,美国第八大城市圣地亚哥将成为美国首个承诺成为100%可再生能源的城市,在20年内将温室气体排放量减少50%。为达成这个目标,市政府官员表示,到2020年城市中一半的车辆需为电动汽车,并回收98%由污水厂及自来水处理厂产生的甲烷。

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这项计划的细节仍在商讨中,但市长Kevin L.Faulconer表示最关键的第一步是需要提出目标,以“确保我们能完成它。”

目前,该市公布了五个战略重点领域的相关计划:

1.拥有能源和水资源高效建筑的企业,协助市政府进行监管任务。

2.清洁和可再生能源,需要被利用到城市的可再生能源项目中。

3.提倡骑车、步行和公交等多种替代出行方式。

4.减少浪费,提倡回收和捕获有害气体。

5.创建气候相关的方案和政策,这将有助于城市官员作出回应。

加州环保运动机构Sierra Club清洁能源项目的负责人Evan Gillespie表示,这项计划将帮助加州每年温室气体的排放量减少700万吨。加州政府此前曾表示在2050年将温室气体排放量减少80%。

Gillespie同时呼吁美国洛杉矶、旧金山和纽约等其他城市也应立即行动起来。

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