Ученые РХТУ имени Менделеева совместно с коллегами из Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН разработали метод синтеза пористого полимера на основе норборнена. Ключевая особенность такого полимера — его коммерческая доступность и простота получения.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, были опубликованы в престижном научном журнале Polymer (Q1). Потенциальные области применения пористых полимеров включают создание различных разделительных мембран, неподвижной фазы для газовой хроматографии, а также для проведения гетерогенного катализа. Одним из относительно новых свойств пористых полимеров является поглощение ими газообразных веществ с возможностью последующего хранения.
Такое применение важно как для энергетики, поскольку позволяет безопасно хранить большое количество чистого водорода и различных углеводородов, так и для экологии, поскольку позволяет улавливать и хранить потенциально опасные для окружающей среды газы. К таким газам относятся парниковые, в наибольшей степени представленные углекислым газом, а также различные промышленные газы, которые могут попадать в атмосферу как в ходе штатной работы предприятий, так и при авариях (например, оксиды серы и азота).
Более ранние разработки микропористых полимеров акцентировались на кремнийсодержащих производных норборненов, однако процесс синтеза значительно осложнялся из-за необходимости его проведения в присутствии металлоорганических веществ. Ввиду этого последующие разработки были сфокусированы на создании пористого полимера, не содержащего кремний, на основе норборненов. Однако возникла другая проблема: новые полимеры не растворялись в органических растворителях, что значительно осложняло их практическое применение.
Для решения возникшей проблемы был разработан новый подход к синтезу микропористых полимеров на основе норборненов, заключающийся в добавлении дополнительных полициклических элементов в ответвлениях основной макромолекулы. Полученные полимеры не только хорошо растворимы в органических растворителях, но и обладают большим количеством микропор, образованных в том числе новыми ответвлениями молекулы.
Ученые РХТУ имени Менделеева и института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН провели комплексный анализ зависимости пористости полимера от используемых боковых ответвлений, а также от метода полимеризации. Было установлено, что применение достаточно объемных карбоциклических соединений в качестве боковых ответвлений позволяет добиться образования наибольшего количества дополнительных микропор в полимере, значительно увеличивая его потенциальную эффективность. При этом проведение процесса полимеризации путем присоединения мономеров по так называемой «винильной» связи норборненов позволило получить наибольшую активную поверхность у полимера, что также имеет решающее значение при практическом применении пористых соединений.
Полученные макромолекулы на основе производных норборненов с объемными карбоциклическими заместителями обладают большим количеством микропор в структуре вещества, хорошо растворимы в органических растворителях, а также обладают относительно простой и достаточно гибкой технологией производства с применением коммерчески доступных компонентов синтеза. Именно поэтому, по мнению авторов исследования, разработанные полимеры представляют собой новую перспективную платформу пористых материалов для сорбции газов и их мембранного разделения.