能捕捉空气污染物二氧化氮的“海棉”
空气污染一直威胁人类健康，根据世界卫生组织的数据，室外环境和家居的空气污染每年导致约700万人死亡。香港城市大学（城大）研究人员参与领导的一支团队，早前研发出一种崭新的“海绵”材料，可于室温高效地吸附环境里的空气污染物二氧化氮，为控制二氧化氮环境污染提供实际解决方案。
上述创新研究由城大能源及环境学院（SEE）助理教授尚进博士领导，团队其他成员包括来自澳洲、中国内地和香港的研究人员。研究的结果已于著名化学期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie）上发表，题为〈Transition‐Metal‐Containing Porphyrin Metal‐Organic Frameworks as π‐Backbonding Adsorbents for NO2 Removal〉。
室温高效捕捉二氧化氮
二氧化氮（nitrogen dioxide, NO2）是一种主要的空气污染物，主要由发电厂、工厂及车辆燃烧化石燃料的过程产生并释放于空气中，可引起光化学烟雾，损害人体呼吸道健康。其中一个减少空气中二氧化氮的方法，就是吸附作用。就此，团队研发出类似海绵的铝基固体多孔纳米材料，以特别设计的过渡金属作为活性位点，置于卟啉环（porphyrin rings）中心，成功从气体混合物中选择性地捕捉及去除二氧化氮。
卟啉（porphyrin）是一种有机化合物，含有杂环结构（构成环的原子除了碳原子外，还至少含有一个杂原子），又被称为紫质。许多卟啉以和金属离子配合的形式存在于自然界中，例如与铁配位的血红素。团队的研究灵感便是来自人体内反馈π键作用（pi-backbonding interaction）的过程——位于血红蛋白（hemoglobin protein）上卟啉环中心的过渡金属铁，能够透过反馈π键作用选择性地捕捉含有π键的氧分子。
尚博士说：“我们模仿了自然并实现了吸附剂与目标π分子，即二氧化氮之间独特的π键作用，而且我们这次研发的新材料能做到兼具高吸附容量和高可再生性（即可以反复使用），很少吸附材料能媲美。”而团队研发的这种技术能两者兼备的关键，在于二氧化氮在吸附位点上，与过渡金属实现了适度的相互作用。
去除二氧化氮其实也可以运用选择性催化还原技术（selective catalytic reduction technology）。然而，现时广泛应用的选择性催化还原技术必须在高温、即约摄氏250至摄氏600度之间，才能转化从而去除二氧化氮。而研究团队新研发的吸附材料更胜一筹之处，在于能在室温高效去除低温废气（例如以柴油推动的非公路车辆或公路车辆冷启动时所产生的废气）所引致的二氧化氮污染，补足了传统方法的不足。
尚博士说：“我们成功展示了在室温下对二氧化氮的选择性吸附，这种仿生技术将促进研究人员针对低温二氧化氮污染控制的一系列技术的开发，例如检测、过滤及催化低温二氧化氮等，特别是用在容易受到二氧化氮污染的环境，例如隧道和半封闭式停车场。”
技术有望应用于处理其他气体
研究结果显示，该吸附材料甚为稳定，对二氧化氮具高选择性、高吸附容量及高可再生性，能抵抗侵蚀，且不易受潮。尚博士说：“二氧化氮的特质是极容易发生反应，所以若要吸附这种有毒气体，可谓极为棘手，相关的研究也非常有限。因此，我们的研究成果在这新兴领域里，可说是取得了罕见的成功。”
此外，该吸附剂可按应用所需，制成不同形状，例如制成球形用于通风系统，或用作防护口罩的滤芯。尚博士表示，由这次研究中获得的新知识，将有助设计涉及能源生产和环境修复，并用以分离不同气体的强力π键吸附剂。团队亦希望此研究会为新一代低温二氧化氮捕捉技术奠下基础，以更有效管理及控制二氧化氮污染问题。
尚博士及澳大利亚核科学与技术组织同步加速器研究中心（Australian Synchrotron, ANSTO）的顾勤奋博士同为论文的通讯作者。论文的第一作者是来自SEE的博士生尚姗姗。研究团队的其他成员来自香港大学、中国科学院广州能源研究所及吉林大学。
研究获得城大、国家自然科学基金委员会、深圳市科技创新委员会和香港研究资助局等资助进行。
DOI number: 10.1002/anie.202007054
本文已于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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