Ученые создают новые материалы для поглощения СО2 на основе кремнезема и ионных жидкостей

Специалисты ФИЦ «Институт катализа СО РАН» разрабатывают и улучшают материалы для адсорбции СО2, которые состоят из силикагеля и ионной жидкости на основе соли глицина — глицината. В частности, они определили оптимальные условия синтеза материала с высокой скоростью поглощения и 100-процентной конверсией.

Ионные жидкости — это органические соли с низкой температурой плавления: они становятся жидкими при 100 °C и ниже. Благодаря таким свойствам их используют в различных отраслях: от биологии до ракетостроения в качестве растворителей, электролитов или катализаторов. В Институте катализа СО РАН ионные жидкости исследуют в системах сорбции углекислого газа.

«Мы применяем ионные жидкости с аминокислотным анионом, аминогруппа в составе которого — активный центр сорбции СО2, и она напрямую взаимодействует с углекислым газом. Но эти жидкости имеют очень высокую вязкость, из-за чего скорость сорбции в массивном состоянии низкая. Чтобы ускорить процесс, нужно увеличить дисперсность активного компонента — для этого его наносят на носители с развитой пористой структурой, в нашем случае, на силикагели. Благодаря этому процесс заметно ускоряется», — рассказывает один из авторов исследования, младший научный сотрудник Отдела нетрадиционных каталитических процессов ИК СО РАН Андрей Шешковас.

Активные центры, на которых проходит реакция, — это глицинат-ионы (анионы аминокислоты глицина). Реакция идет в две стадии. Сначала углекислый газ взаимодействует с аминогруппой, в результате чего получается карбаминовая кислота, после чего происходит обмен протона со следующим анионом ионной жидкости, и образуется карбамат. Эти вещества нетоксичны и сами по себе существуют в природе.

Ученые ИК СО РАН улучшают свойства этих систем. В частности, они исследовали параметр микровязкости — он в числе других может отвечать за скорость поглощения СО2. Для этого они применили передовой метод дейтериевого ядерного магнитного резонанса. Это один из немногих методов, который позволяет изучать динамику движения и взаимодействия молекул напрямую в порах носителя. Специалисты установили, что внесение ионных жидкостей помогает снизить энергетический барьер вращения молекул. Они локально переориентируются в порах носителя, и такое положение снижает микровязкость ионных жидкостей, благодаря чему повышается скорость поглощения углекислого газа — за короткий срок конверсия достигает 100 %.

По словам исследователя, скорость поглощения СО2 одним и тем же материалом без пористого носителя и вместе с ним может отличаться в тысячу раз, если нанести его на пористую матрицу. Также он отмечает, что у разрабатываемых материалов затраты энергии на регенерацию в полтора раза ниже, чем у традиционных водно-аминовых растворов, которые сейчас используют в промышленности.

В планах ученых — продолжать изучать свойства материалов и варьировать их параметры, чтобы добиться более высокой сорбционной емкости углекислого газа.