Новости химической науки > Молекулярная дверка открывается только для CO₂

Семейство мезопористых материалов, хорошо известное благодаря своей способности к разделению газов, может сортировать молекулы в соответствии с гораздо более сложным механизмом, чем предполагалось ранее.

Исследователи из Австралии обнаружили, что ряд цеолитов не действуют подобно простым молекулярным ситам, а могут разделять молекулы по их способности открывать «молекулярные люки» в структуре цеолита.

Через такие молекулярные люки особенно хорошо проходят молекулы диоксида углерода, что делает новое открытие весьма перспективным для разделения промышленных газов м улавливания углерода.

Катионная «задвижка» пропускает внутрь мезопористой системы молекулу диоксида углерода (слева), но де дает пройти внутрь молекуле метана (справа). (Рисунок из J. Am. Chem. Soc., 2012, DOI: 10.1021/ja309274y)

Механизм действия ворот в структуре цеолитов был обнаружен Полом Вебли (Paul Webley) из Университета Мельбурна и Джефферсоном Лю (Jefferson Liu) из Университета Монаш. Исследователи изучали новые структуры цеолитов в рамках проекта по способам фиксации парниковых газов, когда вдруг обнаружили необычное поведение исследуемого материала. Изучаемый ими цеолит, чабазит, селективно поглощал диоксид углерода в присутствии как больших, таки меньших по размеру молекул, в то время, как обычная селективность молекулярных сит сводится к тому, что они отфильтровывают только объемные молекулы газа, поглощая, наряду с углекислым газом, и молекулы меньшего размера.

Как предположили химики, ключом к обнаруженной селективности было поведение свободных катионов в структуре хабазита. Эти катионы, которые как фейс-контроль в ночном клубе пропускают внутрь цеолита молекулы одних газов и не пропускают другие молекулы, уравновешивают отрицательный заряд каркасной структуры цеолита и находятся внутри богатых кислородом нанопор, которые играют роль туннелей, по которым газы попадают в пористую структуру цеолита.

Диоксид углерода «проходит фейс-контроль» и попадает внутрь цеолита благодаря электроноизбыточным атомам кислорода. Взаимодействие кислорода с катионом приводит к его частичной стабилизации и ослаблением взаимодействия катиона с каркасом цеолита, катион изменяет свое положение и позволяет диоксиду углерода проскользнуть вовнутрь. После того, как диоксид углерода внедряется в мезопористую структуру, катион возвращается в исходное положение и не дает другим молекулам газа проскользнуть вслед за молекулой CO₂.

Вебли отмечает, что поведение нового материала выглядит перспективным для его применения в двух важных промышленных процессах – разделению диоксида углерода и азота в топочных газах, а также удалению диоксиде углерода из природного газа. Оба процесса могут использовать хабазит из-за того, что этот цеолит селективно поглощает только CO₂ и в присутствии азота и в присутствии метана – именно такой тип селективности и искали ученые последние годы.

Рэнди Снурр (Randy Snurr), специалист по применению нано- и мезопористых материалов в разделении газов из Северо-западного Университета (США) поражен результатами исследования. Он отмечает, что работа Вебли позволяет коренным образом пересмотреть механизм работы молекулярных сит. Снурр подчеркивает, что его австралийские коллеги не только использовали широкий набор методов исследования для изучения и объяснения обнаруженного эффекта, но и продемонстрировали возможность его применения на практике.

Тем не менее, Вебли говорит, что для практического использования новой системы еще далеко – обладая отличной селективностью по отношению к CO₂, хабазит имеет скромную емкость по отношению к диоксиду углерода. В планах Вебли и Лю модификация структуры цеолитов с целью сохранения высокой селективности хабазита и емкости других известных молекулярных сит по отношению к углекислого газа.

Источник: J. Am. Chem. Soc., 2012, DOI: 10.1021/ja309274y

метки статьи: #нанотехнологии, #неорганическая химия, #новые материалы, #химическая технология, #химия поверхности