Исследователи из США продемонстрировали, что высокопористая химическая клетка, содержащая большое количество доступных магниевых центров, может селективно и эффективно улавливать диоксид углерода из смеси газов, при последующем высвобождении CO2 с минимальными энергетическими затратами.

Новый материал, мышьяка металлоорганическая каркасная структура (MOF), улавливает и высвобождает углекислый эффективнее любой изученной до настоящего времени системы. Исследователи полагают, что полученная ими «молекулярная клетка» может оказаться весьма вероятным кандидатом на роль материала для энергетически эффективного поглощения диоксида углерода, и борьбы с парниковыми газами.

В группе Омара Яги (Omar Yaghi) из Университета Калифорнии изучили особенности фильтрования углекислого газа металлоорганическим каркасным полимером, получившим обозначение Mg-MOF-74, в котором ионы магния, связанные друг с другом органическими линкерами, образуют высокопористую структуру.

Исследователи пропускали газовую смесь, содержащую 20 объемных процентов углекислого газа и 80% метана через полученный магнийсодержащий материал. Новый координационный полимер поглощал исключительно углекислый газ, улавливая 89 грамм CO2 на один килограмм MOF до состояния насыщения.

Наблюдаемая емкость Mg-MOF-74a почти вдвое превышает «емкость по углекислому газу» любой из известных металлоорганических каркасных структур и значительно больше емкости цеолитов, других потенциальных материалов для улавливания углекислого газа. Яги считает, что атомы магния взаимодействуют с диоксидом углерода селективно, не образуя прочных связей.

Важным свойством нового MOF является то, что это вещество при комнатной температуре самопроизвольно высвобождает до 90% поглощенного диоксида углерода при понижении парциального давления CO2, остальные 10% газа можно «выдавить» из молекулярной губки, нагревая ее до 80°C.

Яги отмечает, что большая часть исследовательских групп ищет способы равновесного поглощения углекислого газа, в ходе которого материал может контактировать с поглощаемыми газами длительное время (минуты или часы), до установления термодинамического равновесия. Материал, разработанный в группе Яги, позволяет добиться отделения углекислого газа от смеси в условиях кинетического контроля – диоксид углерода поглощается непосредственно при пропускании газовой смеси через поры MOF, благодаря чему нет необходимости ждать установления равновесия.

Эшли Флетчер (Ashleigh Fletcher) из Университета Стратклайд, изучающий методы фиксации атмосферного углерода, высоко оценивает работу коллег из Лос-Анджелеса, подчеркивая, что результаты представляют собой новый шаг в разработке адсорбентов для поглощения и хранения диоксида углерода, превосходящих по свойствам цеолитные аналоги.

При этом Флетчер предостерегает исследователей, замечая, что, несмотря на эффективные результаты испытаний нового материала в условиях лаборатории, методика требует дальнейшего развития. Подводные камни, которые могут препятствовать коммерциализации и широкому применению подобных материалов классические – проблемы в масштабировании производства новых MOF, недостаточно изученное влияния на поглощение диоксида углерода других компонентов – например, воды.