Российские химики совместно с китайскими и итальянскими коллегами разработали три раннее неизвестных материала для улавливания из воздуха углекислого газа и вызывающих рак ароматических веществ. Поглотители углекислого газа используются в промышленности и играют большую роль в современной экологии. Созданный химиками материал показал рекордную сложность межмолекулярного плетения, а также высокий уровень гибкости и эффективности. Кроме того, поглотитель можно растворить и кристаллизировать заново бесконечное количество раз без потери эффективности. Исследования поддержаны грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ).
Фото: Из личного архива
Фото: Из личного архива
Фото: Из личного архива
Поглотители (сорбенты) углекислого газа и летучих ароматических веществ применяются в различных сферах промышленности, начиная с пищевой и заканчивая нефтехимической: они помогают очищать воздух в помещениях от ядовитых (при высоких концентрациях) веществ и снижать количество углекислого газа в атмосфере, замедляя глобальное потепление. Современные материалы, используемые в очистителях, имеют особым образом сплетенные сетки водородных связей и поэтому способны самостоятельно увеличиваться в размерах, задействуя только собственные молекулы. Ранее другими исследователями было создано десять различных вариаций фильтров, но они могут быть более дорогими или недостаточно продуктивными для некоторых предприятий из-за слабых адсорбционных способностей в больших помещениях, а потому требуют доработки. Основная проблема, которую выделяют ученые, связана не с химией, а скорее с геометрией: молекулы-поглотители имеют неудобную неплоскую треугольную структуру, напоминающую деформированные шестиугольники. Она подходит для образования поры, но адсорбционные свойства материала недостаточно хороши.
«Наша научная группа синтезировала три вариации фильтра из одной и той же 4,4',4''-(1,3,5-триазин-2,4,6-триил)-трибензойной кислоты (H3TATB) плоского треугольного строения. Мы использовали в качестве растворителей для кристаллизации изопропиловый и этиловый спирты, а также воду. Именно в этих веществах мы увидели наибольший потенциал для улавливания углекислого газа и летучих ароматических веществ. Отличительной чертой нашего сорбента стала волнистая структура. Нам удалось стабилизировать сборку микроскопических частиц в условиях повышенных температур и давления. Также важным нововведением считаем то, что мы смогли повысить количество межмолекулярных взаимодействий и устойчивость материалов. Все благодаря увеличению их молекулярной плотности за счет повышения сложности плетения сеток водородных связей между молекулами»,— рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Евгений Александров, кандидат химических наук, заведующий лабораторией синтеза новых кристаллических материалов Самарского государственного технического университета.
В результате синтеза, проходившего в закрытом сосуде в течение семи дней при температуре 60–90°C, исследователи получили три материала, состоящие из одного и того же строительного блока H3TATB и различающиеся по строению: PFC-11 и PFC-12 получены из этилового и изопропилового спиртов и имеют открытые поры разных размеров, а PFC-13 получен из смеси этилового спирта и воды и имеет только закрытые поры. Вещества с таким составом синтезировались и раньше, но авторы выяснили, что при нагревании материала можно получить новый, более устойчивый и эффективный фильтр.
Фото: Евгений Александров/СамГТУ
Фото: Евгений Александров/СамГТУ
Фото: Евгений Александров/СамГТУ
Фото: Евгений Александров/СамГТУ
Фото: Евгений Александров/СамГТУ
Фото: Евгений Александров/СамГТУ
Фото: Евгений Александров/СамГТУ
Главным преимуществом разработки самарских ученых стала ее доступность и способность к абсолютной регенерации (возобновлению) этого материала: фильтр можно растворить и кристаллизировать заново бесконечное количество раз, обновляя работоспособность сорбента. В ходе анализа материала выяснилось, что по сложности плетения молекулярных сеток и адсорбционным параметрам изобретенные учеными поглотители являются лучшими в мире: несмотря на то что фильтр оказался не самым емким из существующих, его высокая стабильность в воде и других растворителях, способность к поглощению большого количества паров бензола и регенерации — это отличные нововведения. В будущем исследование ученых поможет найти наиболее рациональный материал для очистки воздуха от углекислого газа и канцерогенных ароматических веществ.
Record Complexity in the Polycatenation of Three Porous Hydrogen-Bonded Organic Frameworks with Stepwise Adsorption Behaviors; Yu-Lin Li, Eugeny V. Alexandrov, Qi Yin Lan, Li Zhi-Bin, Fang Wenbing Yuan, Davide M. Proserpio, Tian-Fu Liu, журнал ASC Materials Letters, май 2020 г.