能捕捉空氣污染物二氧化氮的「海棉」
空氣污染一直威脅人類健康，根據世界衛生組織的數據，室外環境和家居的空氣污染每年導致約700萬人死亡。香港城市大學（城大）研究人員參與領導的一支團隊，早前研發出一種嶄新的“海綿”材料，可於室溫高效地吸附環境裡的空氣污染物二氧化氮，為控制二氧化氮環境污染提供實際解決方案。
上述創新研究由城大能源及環境學院（SEE）助理教授尚進博士領導，團隊其他成員包括來自澳洲、中國內地和香港的研究人員。研究的結果已於著名化學期刊《德國應用化學》（Angewandte Chemie）上發表，題為〈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）是一種主要的空氣污染物，主要由發電廠、工廠及車輛燃燒化石燃料的過程產生並釋放於空氣中，可引起光化學煙霧，損害人體呼吸道健康。其中一個減少空氣中二氧化氮的方法，就是吸附作用。就此，團隊研發出類似海綿的鋁基固體多孔納米材料，以特別設計的過渡金屬作為活性位點，置於卟啉環（porphyrin rings）中心，成功從氣體混合物中選擇性地捕捉及去除二氧化氮。
卟啉（porphyrin）是一種有機化合物，含有雜環結構（構成環的原子除了碳原子外，還至少含有一個雜原子），又被稱為紫質。許多卟啉以和金屬離子配合的形式存在於自然界中，例如與鐵配位的血紅素。團隊的研究靈感便是來自人體內反饋π鍵作用（pi-backbonding interaction）的過程——位於血紅蛋白（hemoglobin protein）上卟啉環中心的過渡金屬鐵，能夠透過反饋π鍵作用選擇性地捕捉含有π鍵的氧分子。
尚博士說：「我們模仿了自然並實現了吸附劑與目標π分子，即二氧化氮之間獨特的π鍵作用，而且我們這次研發的新材料能做到兼具高吸附容量和高可再生性（即可以反復使用），很少吸附材料能媲美。」而團隊研發的這種技術能兩者兼備的關鍵，在於二氧化氮在吸附位點上，與過渡金屬實現了適度的相互作用。
去除二氧化氮其實也可以運用選擇性催化還原技術（selective catalytic reduction technology）。然而，現時廣泛應用的選擇性催化還原技術必須在高溫、即約攝氏250至攝氏600度之間，才能轉化從而去除二氧化氮。而研究團隊新研發的吸附材料更勝一籌之處，在於能在室溫高效去除低溫廢氣（例如以柴油推動的非公路車輛或公路車輛冷啟動時所產生的廢氣）所引致的二氧化氮污染，補足了傳統方法的不足。
尚博士說：「我們成功展示了在室溫下對二氧化氮的選擇性吸附，這種仿生技術將促進研究人員針對低溫二氧化氮污染控制的一系列技術的開發，例如檢測、過濾及催化低溫二氧化氮等，特別是用在容易受到二氧化氮污染的環境，例如隧道和半封閉式停車場。」
技術有望應用於處理其他氣體
研究結果顯示，該吸附材料甚為穩定，對二氧化氮具高選擇性、高吸附容量及高可再生性，能抵抗侵蝕，且不易受潮。尚博士說：“二氧化氮的特質是極容易發生反應，所以若要吸附這種有毒氣體，可謂極為棘手，相關的研究也非常有限。因此，我們的研究成果在這新興領域裡，可說是取得了罕見的成功。”
此外，該吸附劑可按應用所需，制成不同形狀，例如制成球形用於通風系統，或用作防護口罩的濾芯。尚博士表示，由這次研究中獲得的新知識，將有助設計涉及能源生產和環境修復，並用以分離不同氣體的強力π鍵吸附劑。團隊亦希望此研究會為新一代低溫二氧化氮捕捉技術奠下基礎，以更有效管理及控制二氧化氮污染問題。
尚博士及澳大利亞核科學與技術組織同步加速器研究中心（Australian Synchrotron, ANSTO）的顧勤奮博士同為論文的通訊作者。論文的第一作者是來自SEE的博士生尚姍姍。研究團隊的其他成員來自香港大學、中國科學院廣州能源研究所及吉林大學。
研究獲得城大、國家自然科學基金委員會、深圳市科技創新委員會和香港研究資助局等資助進行。
DOI number: 10.1002/anie.202007054