Исследователи нашли гибкое решение для разделения газов

Для широкого спектра отраслей промышленности разделение газов является важной частью как процесса, так и продукта — от отделения азота и кислорода из воздуха в медицинских целях до отделения углекислого газа от других газов в процессе улавливания углерода или удаления примесей из природного газа.

Однако разделение газов может быть как энергоемким, так и дорогостоящим процессом.

«Например, при разделении кислорода и азота нужно охладить воздух до очень низких температур, пока они не превратятся в жидкость. Затем, при медленном повышении температуры, газы будут испаряться в разных точках, позволяя одному снова стать газом и разделиться», — объясняет Вэй Чжан, профессор химии и заведующий кафедрой химии Университета Колорадо в Боулдере. «Это очень энергоемко и затратно».

Разделение газов во многом зависит от пористых материалов, через которые проходят и разделяются газы. Это тоже долгое время представляло собой проблему, поскольку эти пористые материалы, как правило, специфичны для типов разделяемых газов. Попробуйте пропустить через них любые другие типы газа, и они не сработают.

Однако в исследовании, опубликованном сегодня в журнале НаукаЧжан и его коллеги подробно описывают новый тип пористого материала, который может вмещать и разделять множество различных газов и изготавливается из обычных, легкодоступных материалов. Кроме того, он сочетает в себе жесткость и гибкость, что позволяет осуществлять разделение газов по размеру при значительно меньших затратах энергии.

«Мы пытаемся сделать технологию лучше, — говорит Чжан, — и улучшить ее таким образом, чтобы она была масштабируемой и устойчивой».

Добавление гибкости

Долгое время пористые материалы, используемые при разделении газов, были жесткими и основанными на сродстве — специфичными для типов разделяемых газов. Жесткость позволяет порам быть четко определенными и помогает направлять газы при разделении, но также ограничивает количество газов, которые могут пройти, из-за различных размеров молекул.

В течение нескольких лет Чжан и его исследовательская группа работали над разработкой пористого материала, который придает элемент гибкости соединительному узлу в жестком пористом материале. Эта гибкость позволяет молекулярным линкерам колебаться или двигаться вперед и назад с постоянной скоростью, изменяя доступный размер пор в материале и позволяя адаптировать его к нескольким газам.

«Мы обнаружили, что при комнатной температуре поры относительно самые большие, а гибкий линкер почти не двигается, поэтому внутрь может проникнуть большинство газов», — говорит Чжан. «Когда мы повышаем температуру от комнатной до примерно 50 градусов (по Цельсию), колебания линкера становятся больше, что приводит к уменьшению эффективного размера пор, поэтому более крупные газы не могут проникнуть внутрь. Если мы продолжим повышать температуру, больше газов попадет вовнутрь. отвернуто из-за увеличения колебаний и дальнейшего уменьшения размера пор. Наконец, при 100 градусах может пройти только самый маленький газ, водород».

Материал, который разработали Чжан и его коллеги, состоит из небольших органических молекул и наиболее похож на цеолит — семейство пористых кристаллических материалов, состоящих в основном из кремния, алюминия и кислорода.

«Это пористый материал с множеством высокоупорядоченных пор», — говорит он. «Вы можете представить его в виде сот. Основная его часть представляет собой твердый органический материал с порами обычного размера, которые выстраиваются в линию и образуют каналы».

Исследователи использовали довольно новый тип динамической ковалентной химии, которая фокусируется на связи бор-кислород. Используя атом бора с четырьмя атомами кислорода вокруг него, они воспользовались обратимостью связи между бором и кислородом, которая может разрываться и восстанавливаться снова и снова, тем самым обеспечивая самокорректирующееся, безошибочное поведение и приводя к образованию структурно упорядоченных каркасов.

«Мы хотели создать что-то настраиваемое, быстрое и адаптируемое, и мы подумали, что связь бор-кислород может стать хорошим компонентом для интеграции в структуру, которую мы разрабатываем, из-за ее обратимости и гибкости», — говорит Чжан.

Устойчивые решения

Разработка этого нового пористого материала потребовала времени.

Чжан говорит: «Создание материала — дело легкое и простое. Трудность возникла в самом начале, когда мы впервые получили материал и нам нужно было понять или объяснить его структуру — как образуются связи, как образуются углы внутри этого материала, является ли он двумерным или трехмерным. У нас были некоторые трудности, потому что данные выглядели многообещающими, мы просто не знали, как их объяснить. Они показали определенные пики (рентгеновская дифракция), но мы не могли сразу понять, какой структуре соответствуют эти пики».

Итак, он и его коллеги-исследователи сделали шаг назад, который может стать важной, но малообсуждаемой частью научного процесса. Они сосредоточились на модельной системе малых молекул, содержащей те же реакционноспособные участки, что и в их материале, чтобы понять, как молекулярные строительные блоки упакованы в твердом состоянии, и это помогло объяснить полученные данные.

Чжан добавляет, что он и его коллеги рассматривали возможность масштабирования при разработке этого материала, поскольку для его потенциального промышленного использования потребуются большие объемы, «и мы считаем, что этот метод хорошо масштабируем. будет принят промышленностью, когда придет время».

Они подали заявку на патент на этот материал и продолжают исследования других строительных материалов, чтобы изучить область применения этого подхода. Чжан также говорит, что видит потенциал в сотрудничестве с исследователями-инженерами для интеграции этого материала в мембранные приложения.

«Мембранное разделение обычно требует гораздо меньше энергии, поэтому в долгосрочной перспективе оно может стать более устойчивым решением», — говорит Чжан. «Наша цель — усовершенствовать технологию для удовлетворения потребностей отрасли устойчивыми способами».