Исследование, посвященное пероксидам титана, основывается на результатах более ранних исследований пероксидов ванадия и является частью крупномасштабных федеральных усилий по разработке новых методов и материалов для прямого улавливания углекислого газа из воздуха, образующегося при сжигании ископаемого топлива.

Результаты исследования, проведенного под руководством Май Найман и Карли Бах из Научного колледжа OSU, были опубликованы сегодня в журнале Chemistry of Materials.

Команда Наймана изучает, как некоторые комплексы переходных металлов могут реагировать с воздухом, удаляя углекислый газ и превращая его в карбонат металла, подобный тому, что содержится во многих минералах природного происхождения.

Переходные металлы расположены вблизи центра периодической таблицы, и их название происходит от перехода электронов из низкоэнергетических состояний в высокоэнергетические и обратно, что приводит к появлению характерных цветов.

Установки, фильтрующие углекислый газ из воздуха, все еще находятся в стадии становления. Технологии по снижению выбросов углекислого газа в атмосферу, например, на электростанциях, более зрелые. По словам ученых, оба вида улавливания углерода, скорее всего, понадобятся, если Земля хочет избежать худших последствий изменения климата.

В настоящее время в США, Канаде и Европе действуют 18 установок прямого улавливания углерода в воздухе, и планируется построить еще 130 по всему миру. Проблемы прямого улавливания воздуха включают большие затраты и высокие требования к энергии по сравнению с работой с промышленными выхлопами. Кроме того, концентрация углекислого газа в атмосфере, составляющая четыре части на миллион, является низкой, что затрудняет работу материалов для улавливания углерода.

Мы решили изучить титан, поскольку он в 100 раз дешевле ванадия, более распространен, более экологичен и уже нашел широкое применение в промышленности, — говорит Бах, аспирант из лаборатории Наймана.

Кроме того, он находится рядом с ванадием в периодической таблице, поэтому мы предположили, что поведение ванадия при улавливании углерода может быть достаточно схожим, чтобы быть эффективным.

Бах, Найман и остальные члены исследовательской группы создали несколько новых структур тетрапероксо-титанатов — атомов титана, координированных с четырьмя пероксидными группами, — которые показали различную способность очищать воздух от диоксида углерода. Тетрапероксоструктуры, как правило, обладают высокой реакционной способностью благодаря наличию пероксидных групп, которые являются сильными окислителями.

Родственные пероксотитанаты изучались на предмет их потенциального использования в катализе, химии окружающей среды и материаловедении. Однако тетрапероксотитанаты, использованные в данном исследовании, никогда не были окончательно синтезированы; Бах смог использовать недорогие материалы для высокопроизводительных химических реакций.

Наша любимая структура для улавливания углерода, которую мы обнаружили, — это тетрапероксотитанат калия, который очень уникален, потому что, как оказалось, он также является пероксосольватом, — говорит Бах.

Это означает, что помимо пероксидных связей с титаном, в его структуре также присутствует перекись водорода, что, по нашему мнению, делает его таким реактивным.

Измеренная способность улавливать углерод составила около 8,5 миллимолей углекислого газа на грамм тетрапероксотитаната калия — почти вдвое больше, чем у пероксида ванадия.

Титан — более дешевый и безопасный материал со значительно более высокой емкостью, — говорит Бах.

Названный в честь титанов из греческой мифологии, титан прочен, как сталь, но гораздо легче. Он нетоксичен, не подвержен коррозии и является девятым по распространенности элементом в земной коре — он содержится в камнях, почве, растениях и даже в человеческом теле в незначительных количествах.

Ранее ученые раскритиковали титановую броню за недостаточно высокую прочность.