Ученые из Шихэцзыского университета нашли способ, как сделать материалы для улавливания углекислого газа гораздо эффективнее. Они создали необычный металл-органический каркас, в котором соединили сразу два металла — цинк и церий. Результаты этой работы опубликовали в журнале Frontiers of Chemical Science and Engineering.

Сегодня, когда проблема изменения климата стоит как никогда остро, ученые по всему миру ищут простые и действенные способы ловить CO². Старые методы часто работают плохо или их слишком сложно применять в промышленных масштабах. Исследователи решили сделать упор на металл-органические каркасные структуры, которые еще называют MOF. Эти материалы ценят за их пористость — они словно губка, только на молекулярном уровне, и отлично подходят для поглощения газов.

Главный успех работы в том, что новый материал с церием показал себя намного лучше, чем его «собрат» только с цинком. Добавление церия увеличило размер пор и заметно повысило энергию, с которой материал удерживает углекислый газ — с -0,19 до -0,53 электронвольт. При комнатной температуре (298 кельвинов, это примерно +25°C) ZnCe-MOF поглотил 0,74 миллимоля газа на грамм веса, в то время как простой цинковый каркас справился хуже — только 0,66 миллимоля.

Интересно, что при добавлении церия общая площадь поверхности материала упала с огромных 1566,4 до всего 15,6 квадратных метров на грамм. Зато сами поры стали крупнее: их размер вырос с 0,65 до 7,32 нанометра. Это говорит о том, что важна не только «губка» сама по себе, но и то, насколько хорошо устроены ее ячейки.

Для создания материала ученые применили микроканальный реактор и обычную воду — никакой сложной химии и вреда для окружающей среды. Такой метод позволяет делать вещество не в пробирке, а непрерывно, что в будущем откроет дорогу для производства тоннами на заводах.

Результаты полезны и для фундаментальной науки, и для промышленности. Улучшенный материал на основе цинка и церия может лечь в основу технологий, которые действительно помогут сократить выбросы парниковых газов. А экологичный способ производства показывает, как делать сложные материалы без вреда для планеты.

В этой работе виден интересный сдвиг парадигмы. Долгое время в науке о MOF существовала догма: чем больше удельная поверхность, тем лучше адсорбция. Данное исследование бросает этому вызов.

Здесь мы видим, что введение церия меняет электронную структуру материала. Резкое падение площади поверхности (в 100 раз!) и одновременный рост адсорбции — это контр-интуитивно. Это заставляет исследователей копать глубже и изучать не геометрию пор, а химию взаимодействия «гость-хозяин». Энергия связи выросла в 2,8 раза — это прямое доказательство того, что церий создает активные центры, которые химически притягивают CO², а не просто работают как сито.

• Во-первых, это потенциальное решение для фильтров на тепловых электростанциях. Если материал ловит газ лучше при комнатной температуре, это значит, что не нужно тратить энергию на охлаждение или нагрев установок.
• Во-вторых, микроканальный синтез на воде — это прорыв в технологии. Обычно MOF синтезируют в автоклавах при высоком давлении, порциями. А тут — непрерывный поток. Это удешевляет производство и делает возможным создание компактных установок для улавливания CO² прямо на заводской трубе.

Работа, безусловно, выглядит многообещающе, но смущает один момент — цикличность. Авторы приводят отличные цифры адсорбции при 298 K, но ни слова не говорят о десорбции. Как мы будем «вытряхивать» углекислый газ из этого церия обратно? Энергия связи -0,53 эВ — это довольно сильно. Чтобы разорвать такую связь и регенерировать материал, скорее всего, потребуется либо сильный вакуум, либо нагрев до высоких температур. Это энергозатратно.

В реальной промышленности важна не только емкость «губки» за один раз, но и то, сколько циклов впитывания-выжимания она выдержит без потери свойств, и сколько энергии будет стоить каждый цикл. Если регенерация окажется дорогой, то преимущество в 12% емкости (0,74 против 0,66 ммоль/г) может просто исчезнуть в экономических расчетах. Хорошо бы увидеть в следующих статьях изотермы десорбции и данные по стабильности каркаса после 10-20 циклов.

Ранее российские ученые создали сорбент для улавливания углекислого газа на подлодках.