香港城市大学成功研发新技术来帮助缓解空气污染

香港城市大学(城大)科学家研发出可减轻空气污染及利用太阳能生产燃料的新技术,为能源短缺、环境污染及相关公共卫生风险等问题提供实际解决方案。

(左起)吴永豪博士及尚进博士研发出生产可持续能源及减轻空气污染的新技术。

上述研究成果来自两项计划,分别由能源及环境学院副教授吴永豪博士及助理教授尚进博士领导。研究结果已于著名化学期刊《德国应用化学》上发表。

吴博士及其团队研发的太阳能催化剂,能透过人工光合作用把二氧化碳转化为燃料甲烷。他们发表的论文题为「以金属有机框架材料包裹氧化亚铜纳米线作为耐用的电荷用于选择性地将二氧化碳光合催化还原为甲烷」。

吴博士说:「甲烷是家用燃气的主要成分。以太阳光将二氧化碳转化为燃料甲烷,有望生产出洁净和可持续的替代能源,从而减低碳排放及对化石燃料的依赖。」

不过,要将二氧化碳转化为甲烷有两大难题:受激发后的催化剂寿命较短,及未能进行选择性还原。氧化亚铜是普遍用作二氧化碳转化的催化剂,但它受短暂光照后会自我腐蚀,并且在还原过程中产生多种混合物,阻碍其大规模应用。

The catalyst developed by Dr Ng's team can convert CO2 into methane fuel.
吴博士团队研发的催化剂,能将二氧化碳转化为燃料甲烷。

为了解决上述问题,吴博士及其团队在氧化亚铜外均匀地包裹一层微型铜基金属有机框架(MOF)材料。MOF适用于吸收二氧化碳,能促进二氧化碳与催化剂的互动,令催化剂的表面吸聚大量二氧化碳。团队更首次揭示MOF与氧化亚铜之间出现电荷转移,电荷的寿命因此延长10倍,有助提升效能。氧化亚铜包裹了MOF后则变得稳定,减慢了自我腐蚀。

吴博士说:「我们希望将来能够以合理价格,将工厂和运输界排放的二氧化碳循环再用,率先生产洁净替代燃料。我们将继续提升甲烷的生产率,并研究大规模生产催化剂与反应系统的方法。」

吴博士是论文的通讯作者,论文第一作者是能源及环境学院博士后研究员吴昊博士。其他合作研究员来自伦敦大学学院、新南威尔斯大学、莫纳什大学马来西亚分校、以及斯威本科技大学。

另一项研究由尚博士领导的团队负责,目标是控制由二氧化氮引起的污染。二氧化氮是路边的主要污染物,可引起光化学烟雾,损害人体呼吸道。团队发表的论文题为「含有过渡金属的卟啉金属有机框架作为反馈π键吸附剂去除二氧化氮」,揭示了一种全新耐用的吸附材料,可高效捕捉环境中的二氧化氮。

团队研发的类似海绵的固体多孔纳米材料,具特别设计的过渡金属作为活性位点于卟啉环中心,可从气体混合物中选择性捕捉及去除二氧化氮。他们的研究创意来自人体内反馈π键的作用过程——位于血红蛋白上卟啉中心的过渡金属铁能够选择性地捕捉含有π键的氧气分子。

The new adsorbent materials developed by Dr Shang's team can capture ambient NO2.
尚博士的团队研发出新颖吸附材料,可捕捉环境中的二氧化氮。

传统的选择性催化还原技术须在高温(约摄氏250至摄氏600度)下才能转化从而去除二氧化氮,新研发的吸附技术,可高效去除低温废气(例如非公路车辆产生的废气)所引致的二氧化氮污染,以补足传统方法的不足。

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,将促进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,特别在容易受到二氧化氮污染的环境如隧道和半封闭式停车场。」

研究结果显示,该吸附材料甚为稳定,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。此外,该吸附剂可根据应用制成不同形状,例如制成球形用于通风系统,或用作防护口罩的滤芯。

尚博士及澳洲同步加速器研究中心的顾勤奋博士为论文的通讯作者,论文的第一作者是能源及环境学院博士研究生尚姗姗。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。