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Carbon Dioxide Capture by Niobium Polyoxometalate Fragmentation

化学 多金属氧酸盐 碎片(计算) 二氧化碳 无机化学 化学工程 有机化学 催化作用 计算机科学 操作系统 工程类
作者
Zhiwei Mao,Mokhtar Rashwan,Eduard Garrido Ribó,Makenzie T. Nord,Lev N. Zakharov,T. Wesley Surta,Ahmet Uysal,May Nyman
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (28): 19489-19498 被引量:15
标识
DOI:10.1021/jacs.4c06178
摘要

High oxidation state metal cations in the form of oxides, oxoanions, or oxoperoxoanions have diverse roles in carbon dioxide removal (direct air capture and point source). Features include providing basic oxygens for chemisorption reactions, direct binding of carbonate, and catalyzing low-temperature CO2 release to regenerate capture media. Moreover, metal oxides and aqueous metal-oxo species are stable in harsh, point-source conditions. Here, we demonstrate aqueous niobium polyoxometalate (POM) carbon capture ability, specifically [Nb6O19]8-, Nb6. Upon exposure of aqueous Nb6 to CO2, Nb6 fragments and binds chemisorbed carbonate, evidenced by crystallization of Nb-carbonate POMs including [Nb22O53(CO3)16]28-and [Nb10O25(CO3)6]12-. While Rb/Cs+ counter cations yield crystal structures to understand the chemisorption processes, K+ counter cations enable higher capture efficiency (based on CO3/Nb ratio), determined by CHN analysis and thermogravimetry-mass spectrometry of the isolated solids. Sum frequency generation spectroscopy also showed higher carbon capture efficiency of the K-Nb6 solutions at the air-water interface, while small-angle X-ray scattering (SAXS) provided insights into the role of the alkalis in influencing these processes. Tetramethylammonium counter cations, like K+, demonstrate high efficiency of carbonate chemisorption at the interface, but SAXS and Raman of the bulk showed a predominance of a Nb24-POM (HxNb24O72, x ∼ 9) that does not bind carbonate. Control experiments show that carbonate detected at the interface is Nb-bound, and the Nb-carbonate species are stabilized by alkalis, demonstrating their supporting role in aqueous Nb-POM CO2 chemisorption. Of fundamental importance, this study presents rare examples of directing POM speciation with a gas, instead of liquid phase acid or base.
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