Химики опорного вуза разработали «вечные» материалы

Они поглощают углекислый газ и канцерогены

Совместно с китайскими и итальянскими коллегами ученые Политеха разработали три ранее неизвестных материала для улавливания из воздуха углекислого газа и вызывающих рак ароматических веществ. Поглотители CO₂ 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).

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 изодной 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, – рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ, заведующий лабораторией синтеза новых кристаллических материалов Политеха Евгений Александров. – 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.

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.

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.