В мире, где выхлопные газы автомобилей все чаще становятся виновниками губительного смога, ученые из Университета Нижней Нормандии в лице профессора Марко Датури нашли вдохновение в самой природе, чтобы создать революционный катализатор. Этот материал, имитирующий ферменты бактерий, способен превращать вредный оксид азота (NOx) – главный виновник смога, образующийся при сгорании топлива – в безобидный кислород и азот прямо при комнатной температуре.
Проблема NOx: вызов для дизельных двигателей
Современные бензиновые автомобили оснащены трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами, которые справляются с разложением NOx, монооксида углерода и углеводородов. Однако дизельные двигатели сталкиваются с более сложной задачей.
“Стратегия долгое время заключалась в изменении параметров горения, чтобы снизить выбросы NOx за счет образования твердых частиц,” – поясняет профессор Датури.
Существующие технологии удаления NOx, такие как “улавливатели бедных выбросов NOx” и катализаторы, хоть и эффективны, но обладают рядом недостатков: они дороги, сложны в конструкции, чувствительны к температуре и отравляющим веществам, присутствующим в атмосфере, включая кислород и воду.
Имитация природы: ключ к решению
В поисках эффективного и экологичного решения Датури и его команда обратились к природе – миллионам лет эволюции, которая создала совершенные механизмы очистки. Вдохновением послужили ферменты редуктазы оксида азота, обнаруженные в почвенных бактериях. Эти микроорганизмы играют важную роль в круговороте азота на Земле, преобразуя оксид азота (NO) в диоксид азота (NO2).
“Мы задались вопросом: возможно ли создать искусственный материал с теми же свойствами, что и эти ферменты, но при этом твердый и стойкий для промышленного применения?” – рассказывает Датури.
Металлоорганические каркасы: архитектура будущего
Исследователи сосредоточились на металлоорганических каркасах (МОК) – трехмерных пористых полимерах с невероятной вариативностью структуры и состава. МОК уже применяются в различных областях, от удаления красителей до доставки лекарств и улавливания углекислого газа.
В данном случае МОК стали основой для имитации активной структуры редуктазы оксида азота, содержащей два иона железа, координированные с аминокислотами. С помощью компьютерного моделирования и спектроскопии команда Датури и Кристиана Серра, директора по исследованиям CNRS в Париже, обнаружила, что МОК на основе железа демонстрирует удивительное сходство с естественным процессом.
MIL-100(Fe): простота и эффективность
Полученный катализатор, названный MIL-100(Fe), обладает двумя активными участками: ионом железа (II) и ионом железа (III), связанным атомом кислорода. Оба центра адсорбируют оксид азота, но только железо (III) преобразует его в диоксид азота, при этом восстанавливаясь до железа (II).
“При низкой температуре NOx и NO2 находятся близко друг к другу, легко образуя динитриоксид азота – нестабильное соединение, которое в присутствии воды разлагается на закись азота и молекулярный кислород,” – объясняет Датури. Закись азота, в свою очередь, окисляет вновь образовавшийся железо (II) до железа (III), выделяя газообразный азот. Цикл повторяется.
Уникальность MIL-100(Fe) заключается в том, что кислород и вода, обычно являющиеся помехой для катализаторов NOx, здесь становятся необходимыми компонентами процесса.
Будущее экологичного транспорта
Хотя MIL-100(Fe) не заменит существующие технологии из-за технических и экономических соображений, он открывает новые горизонты для борьбы с выбросами NOx.
“Это дополнение к существующим технологиям, способное существенно улучшить экологическую ситуацию,” – подчеркивает Датури.
MIL-100(Fe) также демонстрирует потенциал в осушении воздуха и энергоэффективных системах охлаждения благодаря своей пористой структуре и способности адсорбировать воду.
“Мы уже разработали “зеленые” протоколы для масштабирования MIL-100(Fe) до промышленного производства,” – говорит Серр. – “И активно сотрудничаем с потенциальными партнерами, чтобы внедрить это технологическое решение в реальную жизнь.”
MIL-100(Fe) – это не просто катализатор, это надежда на чистый воздух и экологически устойчивое будущее.
