Химики из США синтезировали ковалентный органический каркас, способный селективно поглощать углекислый газ из воздуха. При нагревании этого вещества углекислый газ десорбировался обратно. Как пишут авторы исследования в журнале Nature, полученный материал выдерживал более 100 циклов адсорбции-десорбции углекислого газа из уличного воздуха.
Ковалентные органические каркасы (COFs) представляют собой кристаллические и пористые структуры, построенные из органических молекул. Их часто применяют для селективного поглощения газов, включая углекислый газ CO2. Но каркасов, способных селективно и обратимо поглощать CO2 из воздуха, химики пока не придумали, потому что его концентрация в воздухе очень низкая — около 400 частиц на миллион.
Но недавно ученые под руководством Омара Ягхи (Omar M. Yaghi) из Калифорнийского университета в Беркли придумали каркас, способный селективно поглощать CO2 из воздуха. Их идея была в том, чтобы поры каркаса были заполнены аминогруппами, способными ковалентно связывать молекулы углекислого газа в карбаматы.
Чтобы получить нужную структуру, химики сначала синтезировали каркас с большим количеством азидных групп из модифицированного бифенилдикарбальдегида и 1,3,5-трис(4-цианометилфенил)бензола, которые вступили в конденсацию Кневенагеля. Полученное вещество ученые восстановили с помощью трифенилфосфина в воде — при этом азидные группы превратились в аминогруппы. Продукт этой реакции химики смешали с азиридином, который раскрывался аминогруппами каркаса с образованием разветвленных углеродных цепочек, содержащих большое количество новых аминогрупп. Так ученые получили полиаминовый каркас COF-999, который охарактеризовали с помощью твердотельной ЯМР-спектроскопии.
Далее химики исследовали способность COF-999 адсорбировать различные компоненты воздуха — азот, кислород, аргон и углекислый газ. Они обнаружили, что первые три практически не поглощаются каркасом, а вот углекислый газ поглощался быстро и в больших количествах. При нулевой влажности COF-999 адсорбировал до 0,96 миллимоля углекислого газа на грамм каркаса. А при повышении влажности до 50 процентов вместимость материала возрастала до двух миллимоль CO2 на грамм.
Затем исследователи протестировали COF-999 в уличных условиях. В течение 20 дней ученые провели 100 последовательных циклов адсорбции-десорбции CO2 из уличного калифорнийского воздуха. В среднем вместимость каркаса составила 1,28 миллимоля CO2 на грамм. Причем после 20-дневного эксперимента структура и активность COF-999 не изменились.
Так химики синтезировали первый ковалентный органический каркас, способный в течение часа селективно поглощать до двух миллимоль углекислого газа на грамм поглотителя. В будущем исследователи планируют синтезировать набор похожих каркасов и сравнить их способность поглощать CO2.
Эффективность поглощения углекислого газа в каждом цикле уличного экспериментаNature, 2024