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捕获的二氧化碳分子的第一个快照揭示了碳捕获的新亮点

2019-06-27 11:58:56 来源:

能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家们已经在分子笼内拍摄了第一批二氧化碳分子图像 - 高度多孔纳米粒子称为MOF或金属有机骨架,具有很大的分离能力。储存气体和液体。

这些图像由Stanford-SLAC Cryo-EM设施制作,在其笼中展示了两种CO2分子配置,科学家称之为客体 - 主体关系; 揭示笼子随着二氧化碳的进入而略微膨胀; 并放大锯齿边缘,MOF颗粒可能会通过增加更多的笼子来增长。

“这是一项突破性的成就,肯定会对这些高度多孔结构如何发挥其特殊功能带来前所未有的见解,并证明了冷冻EM在解决MOF化学中特别棘手的问题方面的强大功能,”Omar Yaghi说道。加州大学伯克利分校的教授,以及这个化学领域的先驱,他没有参与这项研究。

由SLAC / Stanford教授Yi Cui和Wah Chiu领导的研究小组今天在Matter杂志上描述了这项研究。

有巨大表面的微小斑点

MOF具有任何已知材料的最大表面积。单克或百分之三盎司的表面积可以接近两个足球场的大小,为客人分子提供足够的空间进入数百万个主机笼。

尽管MOF具有巨大的商业潜力和20年的激烈研究,但它们刚刚开始进入市场。全球科学家每年设计超过6,000种新型MOF颗粒,为特定任务寻找合适的结构和化学组合,例如增加储气罐的储存容量或捕获和掩埋烟囱中的二氧化碳以应对气候变化。

“根据政府间气候变化专门委员会的报告,将全球气温升高限制在1.5摄氏度将需要采用某种形式的碳捕获技术,”斯坦福大学博士后研究员,该报告的第一作者Yuzhang Li说。“这些材料具有捕获大量二氧化碳的潜力,并且了解二氧化碳在这些多孔骨架内的结合位置对于设计更便宜,更有效的材料非常重要。”

用于观察材料的最有效方法之一是透射电子显微镜或TEM,其可以以原子 - 原子细节制作图像。但是,当暴露于这种类型成像所需的强电子束时,许多MOF以及将客体分子保持在其中的键合会融化成斑点。

几年前,崔和李采用了一种多年来用于研究生物样品的方法:冻结样品,使其在电子轰击下保持更好。他们在斯坦福纳米共享设施中使用先进的TEM仪器,首次检查含有树枝状指状增长的锂金属的闪速冷冻样品,这些样品可以刺穿和损坏锂离子电池 - 原子细节。

原子图像,一次一个电子

对于这项最新研究,Cui和Li在Stanford-SLAC Cryo-EM设施中使用了仪器,这些设备具有更灵敏的探测器,可以从通过样品的单个电子中获取信号。这使得科学家能够在最小化电子束曝光的同时制作原子细节图像。

他们研究的MOF称为ZIF-8。它的颗粒直径仅为100亿分之一米; 你需要排列大约900个以匹配人发的宽度。“它具有很高的商业潜力,因为它非常便宜且易于合成,”斯坦福大学博士后研究员Kecheng Wang表示,他在实验中发挥了关键作用。“它已被用于捕获和储存有毒气体。”

Cryo-EM不仅可以让它们制作出超清晰的图像,而且对颗粒的损害最小,而且还可以防止CO2气体在拍照时逃逸。通过从两个角度对样本进行成像,研究人员能够确认四个位置中的两个位置,其中认为二氧化碳被弱地保持在其笼内。

“当我看到这些照片时,我感到非常兴奋。这是一项非常出色的工作,”斯坦福大学教授罗伯特辛克莱说,他是使用透射电镜研究帮助解释团队成果的材料的专家。“拍摄MOF内部的气体分子是一个令人难以置信的进步。”

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