美國將有機金屬結構組合形成蜂巢結構 捕獲危險氣體
2016-12-16 09:28:35   來源:中國科技網
內容摘要
德克薩斯大學達拉斯分校的研究團隊把有機金屬結構或MOFs組合在一起,形成了蜂巢結構,這些蜂巢結構可以有效的捕捉有害氣體,并防止它們進入大氣。

如何有效的捕捉有害氣體?美國的科學家發明了一種新方法。

德克薩斯大學達拉斯分校的研究團隊開發了一種創新方法,利用納米有機金屬結構,捕獲潛在的有害氣體。

這些有機金屬結構,或MOFs,是由不同的建筑模塊(模塊由中心金屬離子和分子間有機連接鏈組成的)制成的。它們組合在一起形成了蜂巢結構,可以利用蜂窩或孔隙捕獲氣體。

這種微小的納米結構也有能力捕獲各種不同的排放物,大到煤炭工廠,小到汽車和卡車。但是有些分子吸附性弱,很難封存在MOF結構內。吸附是指極薄分子層(如氣體,溶質或液體)可以粘附在固體或液體表面。

“這些結構有能力存貯氣體,但有些氣體屬于弱束縛態,不能被長時間捕獲,”德克薩斯大學達拉斯分校材料科學與工程系研究員,Kui Tan博士說,他是研究論文的第一作者,該論文發表在2016年12月13日出版的《自然通訊》期刊上。

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發現這一問題后,Tan決定嘗試引入一種能夠覆蓋每個MOF晶體外表面的分子,和蜜蜂用蜂蠟封住蜂巢,防止蜂蜜泄露的方式一樣。

在本例中,Tan引入了一種分子蒸汽,乙二胺,或EDA,創造了一個單層,有效封住的MOF“蜂窩”并捕獲二氧化碳、二氧化硫、一氧化氮之類的氣體。

這個單層厚度小于1納米,比一個DNA單鏈一半的尺寸還小。

為了量化有多少氣體被捕獲并封存在EDA覆蓋的MOF結構中,Tan和他的團隊利用時間分辨的、原位紅外光譜,檢測這種分子“軟木”捕獲弱束縛態氣體的有效性。

吸附在MOF中的氣體分子,在計算機屏幕上顯示為倒峰狀態,這表明,EDA蒸汽能有效封存溫室氣體二氧化碳長達一天。

“這一發現的潛在應用包括,儲存和釋放氫氣或天然氣來驅動你的汽車,或者在工業領域應用,該結構能夠捕獲和分離危險氣體,防止它們進入大氣,”Tan說。

有一個額外的發現,水蒸氣會破壞單層,滲透進MOF結構,在室溫下會完全釋放封存的蒸汽。EDA膜的選擇性為控制氣體排放提供了新的選項,他說。

“使用EDA作為覆蓋層的想法,出自于kui,他做了大量的工作來證明這個方法,與我們合作的維克森林大學對這個方法存在非議,”Yves Chabal博士說,他是埃里克喬森工程與計算機科學學院,材料科學與工程系主任,也是該論文的資深作者。


最新無線傳感技術,5秒內檢驗出目標有害氣體

馬薩諸塞州傳感器及RFID技術初創企業C2Sense正準備在幾個試點項目中測試公司在RFID包裝及ID徽章上開發的傳感技術。該傳感技術主要用于無線檢測特定氣體并進行信息傳輸。2016年,一家不愿意透露名稱的公司正測試該傳感器來監控食物存儲環境溫度。2016年晚些時候,一家肉類及海鮮包裝材料制造商將和C2Sense一起啟動一個項目,使用傳感器跟蹤肉類包裝內硫化物和生物胺的存在。

2017年,美國能源部(DOE)將開始內置UHF RFID傳感器的ID徽章。該部門將使用手持式UHF讀取器跟蹤有害化學物質泄漏。

C2Sense是由MIT化學教授Jan M. Schnorr創建的,該創始人希望將MIT實驗室的技術進行商業化開發。該系統在標簽內置特定材料的化學致動諧振器件(用于從NFC或RFID標簽傳輸信號到讀取器),從而傳遞氣體存在信息。

Schorr稱,這一切都始于一個大學項目,當時大學研究員們自問“什么是把現實世界信息集成進數字世界的最簡單方法?”大多數傳感裝置都太笨重,昂貴,無法在大多數可能存在危害氣體的位置上使用。因此,供應鏈中的物品或工作環境中的氣體通常沒有進行檢測。

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Swager稱:“我們小組一直在研究化學物質傳感檢測,努力開發新方法檢測特定化學物質并將信息呈現給用戶。”最初,研究人員主要關注乙烯的檢測,該物質是從變質的水果和蔬菜發出的。通過在NFC標簽插入使用納米碳管CARD,該傳感器可檢測到乙烯。

使用這一方法前,該方案已證明可以基于特定氣體存在影響到電流從電極之間的傳輸。因此,該技術甚至可以離開RFID獨自工作。使用NFC或RFID技術的優點是可以讓用戶通過手機或讀取器收集傳感數據。

一些場景中,用戶更喜歡使用UHF RFID以便長距離傳輸,而NFC則適用于需使用手機收集的場景。

Swager稱:“C2Sense已推出了一系列基于納米管的材料,可根據不同氣體改變其電阻。最新的CARD傳感技術采用的是采用的是高導電性的納米管,并封裝在一個可阻礙RFID傳輸的絕緣材料內。”暴露在特定氣體時,該材料會崩解,納米管將導電,這樣標簽便可被讀取到。

傳感器可在5秒時間內檢驗出目標有害氣體。最初版本的傳感器可基于開關檢測出特定氣體的存在。目前,公司正開發一個可檢測氣體數量的傳感器版本。這樣,食品廠商便可估算出產品變壞的時間。

目前,C2Sense正使用多種型號的NFC及UHF RFID芯片,包括Norway Thinfilm及德國的ams AG。本月的試運行項目將不會使用RFID技術。C2Sense將使用可改變電極之間電阻的材料。該設備和電腦之間將通過電纜進行連接。

Schnorr稱,此次項目并不需要NFC及RFID技術,該食品存儲公司將在大型存儲區域進行測試,傳感裝置不會隨著食品移動。2016年晚些時候,一家不愿意透露名字的包裝公司將在新鮮肉類,魚類及家禽包裝上試用UHF RFID或NFC版本技術。標簽將傳輸ID號碼及硫化物存在與否的信息。該技術非常適用于肉類。這是因為肉類的變質更難察覺,而且肉類的價格更高。

C2Sense還希望在整個供應鏈(從生產商到消費者)內試用這款傳感標簽產品。公司還將提供軟件及應用程序來管理讀取到的數據。

Schnorr稱,該傳感技術成本低廉,易于使用。他設想該產品不僅可在食品供應鏈上使用,還可以在有危害氣體存在的場所使用。這些場所包括實驗室、加油站、礦區。


新材料可通過手機檢測有毒氣體

一個日美聯合研究小組最新開發出一種可以高靈敏度檢測有毒氣體的感應材料,利用這種材料及近場通信(NFC)技術,可以讓手機在幾秒內讀出空氣中是否存在有毒氣體。

日本物質材料研究機構日前說,他們和美國麻省理工學院合作,在碳納米管表面涂上一層被稱為超分子聚合物的高分子材料,使其變成感應材料。

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據介紹,這種感應材料是利用碳納米管的導電性變化來檢測有毒氣體濃度。碳納米管本來是導電性強的材料,但被超分子聚合物覆蓋后其導電性變差。當接觸有毒氣體時,超分子聚合物的化學鍵就會被部分破壞;而當超分子聚合物表面涂層被破壞后,碳納米管導電性就會大幅上升。

將這種感應材料植入使用近場通信技術的電路中,就成為可檢測有毒氣體的傳感器。操作時,只需用具有近場通信功能的手機“刷”一下傳感器,5秒內就可在手機上讀出是否存在有毒氣體,能檢出的濃度可低至10ppm(1ppm為百萬分之一)。

這種傳感器屬于一次性用品,但是它小巧便攜且成本極低,今后有望應用到地鐵有毒氣體監控等反恐或安監場合。


圣地亞哥成為美國首個承諾20年內成為100%可再生能源的城市

巴黎氣候變化大會達成了具有里程碑意義的《巴黎協定》,旨在減少全球的溫室氣體排放。而美國圣地亞哥也緊隨其后。經過市議會的一致投票,美國第八大城市圣地亞哥將成為美國首個承諾成為100%可再生能源的城市,在20年內將溫室氣體排放量減少50%。為達成這個目標,市政府官員表示,到2020年城市中一半的車輛需為電動汽車,并回收98%由污水廠及自來水處理廠產生的甲烷。

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這項計劃的細節仍在商討中,但市長Kevin L.Faulconer表示最關鍵的第一步是需要提出目標,以“確保我們能完成它。”

目前,該市公布了五個戰略重點領域的相關計劃:

1.擁有能源和水資源高效建筑的企業,協助市政府進行監管任務。

2.清潔和可再生能源,需要被利用到城市的可再生能源項目中。

3.提倡騎車、步行和公交等多種替代出行方式。

4.減少浪費,提倡回收和捕獲有害氣體。

5.創建氣候相關的方案和政策,這將有助于城市官員作出回應。

加州環保運動機構Sierra Club清潔能源項目的負責人Evan Gillespie表示,這項計劃將幫助加州每年溫室氣體的排放量減少700萬噸。加州政府此前曾表示在2050年將溫室氣體排放量減少80%。

Gillespie同時呼吁美國洛杉磯、舊金山和紐約等其他城市也應立即行動起來。

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