Поскольку многие газы, включая аргон и кислород, обладают схожими физическими свойствами, их разделение затруднено. Теперь Рётаро Мацуда и его команда из Университета Нагои разработали уникальный пористый металлоорганический каркас (MOF), который представляет собой новый подход к разделению газов: комбинированное явление «адсорбции» и „растворения“, которое они назвали механизмом „адсорбции-растворения“.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Методы разделения газов традиционно зависят от двух свойств: способности материалов адсорбировать газы в наноразмерных порах (адсорбция) или растворять газы в жидкостях (растворение). Однако каждый из этих методов имеет свои ограничения. Эффективной адсорбции газов пористыми твердыми веществами, такими как цеолит и активированный уголь, препятствует их неспособность селективно отделять некоторые газы, например кислород и аргон, что ограничивает возможности их использования. Некоторые жидкости, с другой стороны, могут эффективно растворять газы, но с ними сложно работать в промышленных условиях из-за их жидкой природы.

Пористые твердые MOF часто соединяют с соединениями для создания высокоадсорбирующих материалов. Мацуда и его коллеги использовали это свойство, соединив MOF-материал с перфторуглеродами — жидкостями, обладающими высоким сродством к кислороду, и создав каркас, который адсорбирует молекулы кислорода в своих порах. Перфторуглероды способствуют растворению, что создает мощную адсорбционно-растворительную силу в сочетании с MOF, делая разделение газов гораздо более эффективным и селективным.

Процессы адсорбции и растворения были признаны принципиально различными явлениями из-за разной природы используемых сред, в данном случае твердых и жидких, — говорит Мацуда.

В нашем материале поры плотно заполнены перфторалкильными цепочками, что создает комбинацию поведения, которое мы называем «адсорбционно-растворительным».

Группа успешно использовала свой материал для разделения аргона и кислорода — двух элементов, которые обычно трудно разделить. Они получили чистый кислород — элемент, имеющий множество промышленных применений.

В таких отраслях, как сталелитейная, кислород необходим в высокой степени чистоты для горения и химических реакций, а в медицине концентрированный кислород жизненно важен для лечения, особенно для пациентов с проблемами дыхания, — говорит Мацуда.

Группа рассчитывает, что их технология найдет применение в отраслях, где требуется энергоэффективный метод концентрации кислорода из воздуха. Поскольку в настоящее время такие процессы потребляют много энергии, их разработка может снизить как эксплуатационные расходы, так и воздействие на окружающую среду. В частности, в медицине обогащение кислородом может улучшить уход за пациентами и сократить использование дорогостоящих и громоздких кислородных баллонов.

Потенциальные возможности применения нового материала выходят за рамки разделения кислорода.

Явление «адсорбции-растворения» можно применять для решения других задач по разделению газов, которые ранее считались сложными, например, для выделения азота, углекислого газа или водорода из сложных смесей, — говорит Мацуда.

Способность эффективно концентрировать и разделять газы открывает двери для новых технологий в области охраны окружающей среды, таких как улавливание и переработка вредных парниковых газов, например CO₂, или усовершенствование технологии топливных элементов за счет эффективного отделения водорода.

Кроме того, энергоэффективность этого MOF-материала согласуется с глобальными инициативами по устойчивому развитию. По мере того как мир движется к декарбонизированному обществу, крайне важно найти способы снижения энергопотребления в промышленных процессах. Этот новый материал, благодаря своим возможностям эффективного и селективного разделения газов, может сыграть ключевую роль в развитии «зеленых» технологий и снижении углеродного следа в отраслях, которые в значительной степени зависят от разделения газов.

Ранее ученые улучшили технологию обнаружения опасных химикатов.